KR100354727B1 - Solid electrolyte membrane with mechanically-enhancing and porous catalytically enhancing constituents - Google Patents

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Abstract

고상 전해질 이온 투과막은 산소이온과 같은 적어도 한 형태의 이온을 전도시키는 기질재료와 상기 기질재료와 물리적으로 구별될 수 있고 상기 기질재료의 소결작용, 기계적 특성 및 촉매 특성을 개선할 수 있는 하나 이상의 구성성분을 포함한다. 상기 구성성분은 상기 막의 구성성분을 통한 연속적인 전자전도를 방지하는 방식으로 존재한다. 가스 원소를 함유하는 다공성 피막은 양호하게 상기 막상에 배열되어 표면반응율을 개선한다.The solid electrolyte ion-permeable membrane may comprise a substrate material that conducts at least one type of ion such as oxygen ions and one or more constituents that can be physically distinguished from the substrate material and that can improve the sintering action, ≪ / RTI > The components are present in such a way as to prevent continuous electronic conduction through the constituents of the film. The porous film containing the gas element is preferably arranged on the film to improve the surface reaction rate.

Description

기계적 특성 및 촉매 특성의 개선성분을 갖는 고상 전해질막 {SOLID ELECTROLYTE MEMBRANE WITH MECHANICALLY-ENHANCING AND POROUS CATALYTICALLY ENHANCING CONSTITUENTS}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a solid electrolyte membrane having improved mechanical and catalytic properties,

본 발명은 고상 전해질 이온 투과 막의 조성, 특히 상기 막의 기계적 특성, 촉매 특성 및 소결작용을 향상시키는 하나 이상의 성분을 갖는 고상 전해질 이온 투과막에 관한 것이다.The present invention relates to a solid electrolyte ion-permeable membrane having at least one component that improves the composition of the solid electrolyte ion-permeable membrane, in particular, the mechanical properties, the catalytic properties, and the sintering action of the membrane.

본 발명은 국립 표준 기술기구에 의해 수행된 협력 협약 번호 제 70NANB5H1065 하의 미국 정부의 지원에 의해 수행된 것이다. 미국정부는 본 발명에 대한 일정한 권리를 가진다.The present invention has been accomplished by the Government of the United States under cooperative agreement No. 70NANB5H1065, which was implemented by the National Institute of Standards and Technology. The US Government has certain rights to the invention.

고상 전해질 이온 투과 막은 산소를 함유하는 가스 스트림으로부터 산소를 분리해낼 수 있는 커다란 가능성을 가진다. 이중 특히, 산소 이온 및 전자 둘 모두를 전도시키고 외부전극의 사용없이도 압력 구동된 모드로 작동할 수 있는 혼합 전도체 재료에 대한 관심이 고조되어 있다. 전자 전도성 재료와 산소이온 전도성재료의 다상 혼합물로 구성된 복합 세라믹 혼합 전도체 막은 전기화학 반응기 및 부분 산화반응에 관한 티. 제이. 마자넥의 미국 특허 제 5,306,411 호에 설명되어 있다. 엠. 리우 등의 미국 특허 제 5,478,444호에는 비스무스 산화물과 같은 산소-이온-전도성 재료와 전자 전도성 재료를 함유하는 복합 혼합 전도체 재료가 설명되어 있다. La.2Sr.8CoOX, La.2Sr.8FeOX, La.2Sr.8Fe.8Co.1Cr.1OX등과 같은 페로브스카이트(perovskite)로 예시되는 진정한 혼합 전도체는 전자 및 이온 둘 모두에 대한 고유 전도성을 갖는 재료들이다. 이들 재료중 몇몇 재료는 알려진 최대의 산소이온 전도성과 급속한 표면 교환 속도론을 가진다.The solid electrolyte ion-permeable membrane has a great possibility of separating oxygen from the oxygen-containing gas stream. In particular, there is a growing interest in mixed conducting materials that can conduct both oxygen ions and electrons and operate in a pressure driven mode without the use of external electrodes. A composite ceramic mixed conductor membrane composed of a polyphase mixture of an electron conductive material and an oxygen ion conductive material is used in an electrochemical reactor and a partial oxidation reaction. second. Is described in U.S. Patent No. 5,306,411 to Majanek. M. U.S. Patent No. 5,478,444 to Liu et al. Describes a composite mixed conductor material containing an oxygen-ion-conductive material such as bismuth oxide and an electron-conductive material. La .2 Sr .8 CoO X, La .2 Sr .8 FeO X, La .2 Sr .8 Fe .8 Co .1 Cr .1 O True mixed conductors, exemplified by a perovskite (perovskite), such as X Are materials with high conductivity for both electrons and ions. Some of these materials have a known maximum oxygen ion conductivity and a rapid surface exchange kinetics.

상기 재료들은 가스 분리에 적용하는 경우에 높은 잠재력을 갖지만, 그러한 용도로 사용하는 경우에 약간의 단점을 가진다. 대부분의 세라믹 재료에 있어서의 일반적인 문제점은 인장시의 이들의 취성 및 낮은 기계적 강도이며, 이는 튜브와 같은 커다란 엘리먼트의 제작을 어렵게 하고 높은 신뢰도를 요하는 상업용 시스템에 이들 재료를 배치하는 것을 어렵게 한다.While these materials have high potential when applied to gas separation, they have some drawbacks when used for such applications. A common problem with most ceramic materials is their brittleness and low mechanical strength at tension, making it difficult to fabricate large elements such as tubes and making it difficult to place these materials in commercial systems that require high reliability.

야모모또 등은 고상 이온학(1997), 22:241-46의 "고온 산화물 연료 전지용 산소 전극으로서의 페로브스카이트형 산화물"이라는 논문에서 소결된 LaCoOx 에서의 미세균열을 보고하였다. 그러한 미세균열은 소결 도중의 구조 변형과 관련되어 있고 페로브스카이트에서 빈번하게 발생한다. 페로브스카이트와 같은 대다수의 이온 투과 막재료에서의 빈격자점(vacancy) 농도는 이를 에워싸고 있는 가스중의 산소 부분압의 함수이다. 단위 셀 크기가 빈격자점 농도에 의존하므로, 대부분의 이온투과 막 재료의 경우, P02가 감소함에 따라 단위 셀의 체적이 증가한다. 예를들어, 페로브스카이트에 있어서, 단위 셀 ABO3의 크기는 양극(anode) 또는 투과물측상의 산소의 부분압이 감소됨에 따라 증가한다. 단위 셀크기의 변화는 조성 팽창계수 뿐만 아니라 열팽창계수도 유발한다. 따라서, 상기 재료내의 조성 구배는 파괴를 유발할수 있는 기계적 응력을 발생시킨다. 이는 종종 작업의 시작 및 차단 또는 공정 도중에 대기를 정밀제어할 필요성이 있게 한다.Yamomoto et al., LaCoO sintered in a paper entitled " Perovskite type oxide as an oxygen electrode for a high temperature oxide fuel cell ", Solid State Ion Science (1997), 22: 241-46x Of the microcracks. Such microcracks are associated with structural deformation during sintering and frequently occur in perovskite. The vacancy concentration in most ion permeable membrane materials, such as perovskite, is a function of the partial pressure of oxygen in the gas surrounding it. Since the unit cell size depends on the vacancy lattice point concentration, in most ion permeable membrane materials, P02The volume of the unit cell is increased. For example, in the perovskite, the unit cell ABO3Increases as the partial pressure of oxygen on the anode or permeate side decreases. The change in the unit cell size causes not only the composition expansion coefficient but also the thermal expansion coefficient. Thus, the composition gradient in the material creates a mechanical stress that can cause failure. This often necessitates precise control of the atmosphere during start-up and shutdown of the work or during the process.

비. 후 등은 고상 산화물 연료 전지에 관한 3차 국제 심포지움에서 "고상 산화물 연료전지용 포텐셜 음극재료인 (Y1-XCaX)FeO3에 관해 보고하였으며, 에스. 씨. 싱할 에드워드도 전기화학 과학잡지 제 93-4권 276-282(1993)에서 미세균열이 시스템의 매우 이방성인 열팽창계수 또는 고온 다형성 대칭 변화중 어느 하나로 인해 Y1-X(Sr 또는 Ca)XMnO3에서의 문제점이라는 것을 보고했다. 그러나, 이러한 문제점을 해결하기 위한 노력은 성공적이지 못했다. 이들은 높은 Sr과 Ca 도핑 수준(x > 0.3)이 미세균열을 감소시킬 수 있지만 감소된 이온 전도도를 포함한 열악한 물리적 특성으로 인해 연료 셀 음극 적용에 있어서 불량한 성능을 생성시킨다는 것을 발견하였다.ratio. (Y 1-X Ca X ) FeO 3 , a potential cathode material for solid oxide fuel cells, at the Third International Symposium on Solid State Oxide Fuel Cells, and Ss. Singh Edward, 93-4, 276-282 (1993) reported that microcracking is a problem in Y 1-X (Sr or Ca) X MnO 3 due to either the highly anisotropic thermal expansion coefficient of the system or the thermophilic polymorphic symmetry change. However, their efforts to address these problems have not been successful, because they can reduce microcracks with high Sr and Ca doping levels (x> 0.3), but due to poor physical properties, including reduced ionic conductivity, Resulting in poor performance.

전술한 어려움들로 인해, 페로브스카이트 튜브의 제작은 때때로 정교한 대기 제어되는 소결공정을 포함하는 복잡하고 세심한 공정제어 단계를 필요로 한다. 이는 비용과 제작상의 복잡함을 증대시키고 온도, 대기 또는 조성 변화를 포함하는 제조되는 엘리먼트의 순간 작동 도중에 문제점을 일으킬 수 있다.Due to the difficulties described above, the fabrication of perovskite tubes sometimes requires complex and meticulous process control steps involving sophisticated atmospheric controlled sintering processes. This increases cost and manufacturing complexity and can cause problems during instantaneous operation of manufactured elements, including temperature, atmosphere or composition changes.

주위 대기에 대한 이온 투과 막의 감도를 최소화시키는 것이 상당히 바람직하다. 또한, 대부분의 이들 재료는 매우 높은 열팽창계수(예를 들어, La1-XSrXCoO3는 약 20×10-6/℃임)를 지니며, 이는 처리공정 및 작동중에 높은 열응력을 유발하여 재료의 파괴를 일으킨다.It is highly desirable to minimize the sensitivity of the ion-permeable membrane to ambient air. In addition, most of these materials have a very high coefficient of thermal expansion (e.g., La 1-x Sr x CoO 3 is about 20 x 10 -6 / ° C), which causes high thermal stresses during processing and during operation Thereby causing destruction of the material.

요약하면, 종래기술에 있어서 복합 혼합 전도체를 사용하는 것은 산소 이온 전도체 및 전자 전도체의 다상 혼합물로 포함하는 재료에 대부분 한정되어 있다. 종래기술에 있어서의 주요 목적은 전자 전도성을 이온 전도체에 도입시키는 것이었다. 일반적으로, 이는 퍼콜레이션 한계점 이상에서 작동가능하게 되도록 임의로 분포되었을 때 전자 전도성 제 2상이 30 내지 35 부피%를 초과하여 존재할 것을 필요로 한다.In summary, the use of composite mixed conductors in the prior art is largely limited to the materials that comprise a polyphase mixture of oxygen ion conductors and electron conductors. The main purpose in the prior art was to introduce electronic conductivity into the ion conductor. Generally, this requires that the electronically conductive second phase be present in excess of 30 to 35% by volume when randomly distributed to be operable above the percolation threshold.

쉔 등은 미국 특허 제 5,616,223호 및 제 5,624,542호의 칼럼 6에, 한 시스템에서 은/파라듐 합금은 조금 높은 양을 필요로 한지만 은은 약 20 내지 약 35 부피%에서 연속 상을 얻을 수 있다고 설명하고 있다. 쉔 등은 높은 2극성 전도성을 얻기 위해 전자 전도성 상을 약 1 내지 5% 많은 양으로 존재시키는 것을 선호한다. 상기 '542특허에는 우세한 이온 전도성 세라믹상 단독에 비해 개선된 기계적 특성을 제공하는 우세한 전자 전도성 금속상을 갖는 세라믹/금속 재료가 기술되어 있다.Shen et al. Describe in column 6 of U.S. Pat. Nos. 5,616,223 and 5,624,542 that the silver / palladium alloy in one system can achieve a continuous phase at about 20 to about 35% by volume, although a slightly higher amount is required have. Shen et al. Prefer to present an electronically conductive phase in an amount of about 1 to 5% in order to obtain a high bipolar conductivity. The '542 patent describes a ceramic / metal material having a predominantly electronically conductive metal phase that provides improved mechanical properties over the predominantly ionically conductive ceramic phase alone.

복합 벌크 초전도 재료는 바람직한 물리적 특성과 높은 TC초전도 특성을 수득하기 위해 합성되었다. 미국 특허 제 5,470,821호에서 웡(Wong) 등은 연속적인초전도 세라믹 및 원소 금속 매트릭스를 갖는 복합 벌크 초전도 재료를 설명하고 있다. 원소 금속은 투과 전류밀도를 증가시키기 위해 결정질 입자들 사이의 공간내에 위치한다.Composite bulk superconducting materials were synthesized to obtain desirable physical properties and high T C superconducting properties. In U.S. Patent No. 5,470,821, Wong et al. Describe composite bulk superconducting materials having continuous superconducting ceramics and elemental metal matrices. The elemental metal is located in the space between the crystalline particles to increase the transmission current density.

산소의 투과은 기류내의 산소의 부분 압력에 의해 구동된다. 본 발명에 참조된 프라자드 등의 미국특허 제 5,547,494호에 "단계식 전해질 막"이란 명칭으로 기술된 바와 같이, 너른스트 전위(Nernst potentential)가 내부에서 발생하여 전해질 이온 저항에 대해 산소 빈격자점의 플럭스를 구동시킨다.The permeation of oxygen is driven by the partial pressure of oxygen in the air stream. Nernst potentential is generated internally as described in the copending U.S. Patent No. 5,547,494, referred to herein as " stepped electrolyte membrane ", and the oxygen vacancy lattice point Of the flux.

일반적으로, 얇은 전해질 필름은 이상적인 산소 플럭스가 상기 필름의 두께에 반비례하므로 바람직하다. 따라서, 더 얇은 필름은 더 높은 산소 플럭스, 감소된 구역, 낮은 작동온도 및 전해질을 가로지르는 낮은 산소 압력차를 초래한다. 또한, 막의 양극측이 메탄 또는 수소와 같은 반응성 가스에 의해 퍼지되면, 양극측상에서의 산소 활성도가 현저하게 감소되어 상기 막을 가로질러 높은 산소 플럭스를 유도시킨다. 그러나, 산소 플럭스가 증가함에 따라, 투과에 대한 표면저항은 더욱 강렬해지며 결국에는 투과에 대한 전체 저항을 지배하게 한다. 표면저항은 기체상내의 산소 분자를 결정 격자내의 산소 이온으로 전환시키고 반대 작용을 하는 데에 관여하는 다수의 메카니즘으로부터 발생한다. 조밀한 이온 투과막의 경우에도, 음극 또는 양극측상의 표면 속도론은 막을 가로지르는 산소 플럭스를 제한할 수 있다.In general, a thin electrolyte film is preferred because an ideal oxygen flux is inversely proportional to the thickness of the film. Thus, thinner films result in higher oxygen flux, reduced area, lower operating temperature and lower oxygen pressure differential across the electrolyte. Also, when the anode side of the membrane is purged by reactive gases such as methane or hydrogen, the oxygen activity on the anode side is significantly reduced, leading to a high oxygen flux across the membrane. However, as the oxygen flux increases, the surface resistance to permeation becomes more intense and ultimately dominates the overall resistance to permeation. Surface resistance arises from a number of mechanisms involved in converting oxygen molecules in the gas phase into oxygen ions in the crystal lattice and acting in opposition. Even in the case of dense ion-permeable membranes, surface kinetics on the cathode or anode side can limit the oxygen flux across the membrane.

야스따께 데라오까 등이 세라믹 저어널 소사이어티 인터내셔널 에디터, 제 97권 제 4호 458-462 페이지 및 제 5호 523-529 페이지(1989)에 보고한 고체 상태가스 분리막은 조밀한 혼합 전도성 산화층을 다공성 혼합 지지체상에 침착시킴으로써 제조된다. 비교적 두꺼운 다공성 혼합 전도성 지지체는 얇고 비교적 부서지기 쉬운 조밀한 혼합 전도층에 기계적 안정성을 제공한다. 조밀층의 두께를 고려하여, 상기 발명자는 조밀한 혼합 전도 디스크와 비교하여 얇은 복합 필름 막의 경우 산소 플럭스가 10배 증가할 것으로 예측하였다. 그러나, 이들은 얇은 필름 막을 사용하여 2배 미만의 산소 플럭스의 증가를 수득하였다.The solid state gas separation membranes reported by Yasuta Haderaoka et al., Ceramic Journal Society International, Vol. 97, No. 4, pp. 458-462 and 5 523-529 (1989) On a mixed support. A relatively thick porous mixed conducting support provides mechanical stability to a dense, thin, relatively brittle, conductive layer. Taking into account the thickness of the dense layer, the inventors have predicted that the oxygen flux will increase ten times in the case of thin composite film membranes as compared to dense mixed conducting disks. However, they obtained an increase in oxygen flux of less than 2 times using a thin film film.

미국특허 제 4,791,079호에는 2개의 층, 즉 불침투성 혼합 이온 및 전자 전도성 세라믹 층과 다공성 촉매-함유 이온 전도성 세라믹 층으로 이루어진 촉매 세라믹 막이 설명되어 있다. 다공성 세라믹 층에 바람직한 조성은 약 8 내지 15 몰%의 칼시아, 이트리아, 스칸디아, 마그네시아, 및/또는 이들의 혼합물로 안정화된 지르코니아이다.U. S. Patent No. 4,791, 079 describes a catalytic ceramic membrane consisting of two layers, namely impermeable mixed ion and electron conductive ceramic layers and a porous catalyst-containing ion conductive ceramic layer. A preferred composition for the porous ceramic layer is zirconia stabilized with about 8 to 15 mole percent of calcia, yttria, scandia, magnesia, and / or mixtures thereof.

미국 특허 제 5,240,480호에는 복합 고체 상태 막이 설명되어 있는데, 이 막은 고온에서 산소함유 가스 혼합물로부터 산소를 분리해낼 수 있는 다성분 금속 산화 다공층 및 조밀층을 포함한다.U.S. Pat. No. 5,240,480 describes a composite solid state membrane, which comprises a dense layer and a multi-component metal oxide porous layer capable of separating oxygen from the oxygen-containing gas mixture at high temperatures.

미국 특허 제 5,569,633호에는 표면 촉매성 다층 세라믹 막이 설명되어 있는데, 상기 막은 조밀한 혼합 전도성 다성분 금속 산화층, 및 산소 플럭스를 향상시키기 위한 공급(공기)측상의 촉매 금속 또는 금속 산화물 코팅으로 이루어져 있다. 양 측면상의 촉매 코팅은 산소 플럭스를 향상시키지 못했다.U.S. Patent No. 5,569,633 describes a surface catalyzed multilayer ceramic membrane comprising a dense mixed conducting multi-component metal oxide layer and a catalytic metal or metal oxide coating on the feed (air) side to enhance oxygen flux. The catalyst coating on both sides failed to improve the oxygen flux.

그러므로, 본 발명의 목적은 향상된 기계적 특성을 갖는 개선된 고상 전해질이온 투과 막을 제공하는 것이다.It is therefore an object of the present invention to provide an improved solid electrolyte ion permeable membrane having improved mechanical properties.

본 발명의 또 다른 목적은 제작 도중의 미세균열을 최소화시키는 고상 전해질 이온 투과 막을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a solid electrolyte ion permeable membrane that minimizes microcracks during fabrication.

본 발명의 또 다른 목적은 처리 또는 작업 도중에 특수한 대기를 필요로 하지 않는 고상 전해질 이온 투과 막을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a solid electrolyte ion-permeable membrane that does not require a special atmosphere during processing or operation.

본 발명의 또 다른 목적은 온도와 대기의 변화에 맞추어지는 고상 전해질 이온 투과 막을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a solid electrolyte ion permeable membrane adapted to changes in temperature and atmosphere.

본 발명의 또 다른 목적은 표면 속도론 및/또는 화학적 속도론에 의해 부과된 한계를 현저하게 감소시켜 높은 산소 플럭스를 얻게 해주는 고상 전해질 이온 투과 막을 제공하는 것이다.It is yet another object of the present invention to provide a solid electrolyte ion permeable membrane that significantly reduces the limit imposed by surface kinetics and / or chemical kinetics to obtain a high oxygen flux.

본 발명의 또 다른 목적은 이온 투과막에 개선된 촉매효과를 제공하는 변형된 표면을 갖는 고상 전해질 이온 투과 막을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a solid electrolyte ion permeable membrane having a modified surface that provides an improved catalytic effect to the ion permeable membrane.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명에 따른 성분의 양을 상이하게 갖는 막의 확대 사진이다.1A to 1D are enlarged photographs of membranes having different amounts of components according to the present invention.

도 2는 도 1a 내지 도 1d에 도시된 4개의 막에 대한 파괴강도를 나타내는 그래프이다.Fig. 2 is a graph showing the breaking strength for the four films shown in Figs. 1A to 1D.

도 3은 도 1a 내지 도 1d의 막에 대한 X-선 회절 결과를 나타내는 그래프이다.FIG. 3 is a graph showing the results of X-ray diffraction for the films of FIGS. 1A-1D. FIG.

도 4는 도 1a 내지 도 1d의 막에 있어서 다양한 온도에서의 산소 투과율을 나타내는 그래프이다.FIG. 4 is a graph showing the oxygen permeability at various temperatures in the films of FIGS. 1A to 1D. FIG.

도 5는 도 1a 내지 도 1d의 막에 대한 다양한 반응 퍼지 수준에서의 산소 플럭스를 나타내는 챠트이다.FIG. 5 is a chart showing oxygen fluxes at various reaction purge levels for the membranes of FIGS. 1A-1D. FIG.

도 6a는 본 발명에 따른 또 다른 막의 주사 전자 현미경 사진이다.6A is a scanning electron micrograph of another film according to the present invention.

도 6b는 도 6a에 도시된 막의 표면 에너지 분산 스펙트럼이다.FIG. 6B is a surface energy dispersion spectrum of the film shown in FIG. 6A. FIG.

도 7은 본 발명에 따른 표면 반응을 향상시키기 위한 다공성 결정질 층 코팅을 갖는 조밀한 고상 전해질 이온 투과 막의 확대 횡단면도이다.7 is an enlarged cross-sectional view of a dense solid electrolyte ion permeable membrane having a porous crystalline layer coating for enhancing surface reaction according to the present invention.

도 8은 표면 반응을 향상시키기 위해 조밀한 막의 양 표면상에 다공성 결정질 층 코팅을 갖는 고상 전해질 이온 투과 막 복합물의 확대 횡단면도로서, 다공성 코팅 중의 하나는 복합물의 기계적 강도를 향상시키기 위해 다공성 지지체상에 배치된다.8 is an enlarged cross-sectional view of a solid electrolyte ion-permeable membrane composite having a porous crystalline layer coating on both surfaces of a dense membrane to enhance surface reaction, one of the porous coatings being applied on a porous support to improve the mechanical strength of the composite .

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Description of the Related Art [0002]

701,801 : 이온 전도막702,703,802,803 : 다공성 코팅층701, 801: ion conductive films 702, 703, 802, and 803:

804,805 : 지지층804, 805:

본 발명은 1종 이상의 이온 타입, 바람직하게 산소 이온을 전도시키는 매트릭스 재료 및, 상기 매트릭스 재료와는 물리적으로 구별되면서 이의 기계적 특성, 촉매 특성, 및/또는 소결작용을 향상시키는 하나 이상의 구성성분을 갖는 고상 전해질 이온 투과막을 포함한다. 상기 구성성분은 상기 막을 가로질러 이 성분을 통한 연속적인 전자 전도를 방지하는 방식으로 존재한다.The present invention relates to a process for the production of a matrix material having at least one ionic type, preferably a matrix material, which conducts oxygen ions, and at least one constituent which is physically distinct from the matrix material and which improves its mechanical, catalytic, and / And a solid electrolyte ion permeable membrane. The components are present in such a way as to prevent continuous electron conduction across the membrane through this component.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 매트릭스 재료는 전자 전도성 및 산소이온 전도성 둘 모두를 나타내는 혼합 전도체이다. 상기 구성성분은 바람직하게는 은,팔라듐, 또는 이들의 혼합물과 같은 금속이다. 다른 구체예에서, 상기 구성성분은 세라믹 또는 다른 전기적으로 비전도체인 재료이다.In a preferred embodiment, the matrix material is a mixed conductor that exhibits both electronic conductivity and oxygen ion conductivity. The component is preferably a metal such as silver, palladium, or mixtures thereof. In another embodiment, the component is a ceramic or other electrically non-conductive material.

또한 본 발명은 가스종을 가스 혼합물로부터 분리해내기 위한 고상 전해질 이온 투과 막 복합물을 포함하는데, 상기 복합물은 조밀한 매트릭스 재료와 다공성 코팅을 가진다. 상기 조밀한 막은 제 1 및 제 2 표면을 가지며, 1종 이상의 이온 타입을 전도시키는 매트릭스 재료와 상기 매트릭스 재료와는 물리적으로 구별된 하나 이상의 막 구성성분으로 구성되어 있고, 상기 막 구성성분은 매트릭스 재료의 기계적 특성, 촉매 특성 및 소결작용중 하나 이상을 향상시키며 상기 막을 가로질러 구성성분을 통한 연속적인 전자 전도를 방지하는 방식으로 존재한다. 상기 다공성 코팅은 상기 막의 제 1 표면 및 제 2 표면중 적어도 어느 한 표면상에 배치되어 가스종과 관련된 표면 반응 속도론을 향상시킨다.The invention also includes a solid electrolyte ion-permeable membrane composite for separating gas species from a gas mixture, said composite having a dense matrix material and a porous coating. Wherein the dense film has a first and a second surface and is comprised of a matrix material that conducts one or more ion types and at least one film component physically distinct from the matrix material, In a manner that improves at least one of the mechanical properties, catalytic properties, and sintering behavior of the membrane and prevents continuous electron conduction through the membrane across the membrane. The porous coating is disposed on at least one of the first surface and the second surface of the membrane to enhance the surface kinetics associated with the gas species.

본 명세서에서 사용한 "이중 상(dual phase)"이란 용어는 1종 이상의 이온 타입을 전도시키는 상과 상기 구성성분을 포함하는 상의 조합물을 의미한다.As used herein, the term " dual phase " refers to a combination of a phase that conducts one or more ionic types and a phase that includes such components.

또한 본 명세서에서 사용한 "이온 투과재료"란 용어는 "매트릭스 재료"와 상호교환가능하다.The term " ion-permeable material ", as used herein, is also interchangeable with " matrix material ".

전술한 것 이외의 목적, 특징 및 장점들은 다음의 바람직한 구체예 및 첨부도면으로부터 본 기술분야의 숙련자들에게 이해될 수 있을 것이다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art from the following detailed description of preferred embodiments and accompanying drawings.

본 발명은 고상 전해질 투과막에 의해 달성될 수 있는데, 상기 막은 1종 이상의 이온 타입, 양호하게 산소이온을 전도시키는 매트릭스 재료와 상기 매트릭스 재료와는 물리적으로 구별되고 이의 기계적 특성, 촉매 특성 및 소결작용중 적어도어느 하나를 개선할 수 있는 하나 이상의 구성성분으로 이루어진다. 상기 구성성분은 상기 막을 가로질러 이 구성성분을 통한 연속적인 전자 전도를 방지하는 방식으로 존재한다.The present invention can be achieved with a solid electrolyte membrane, wherein the membrane is physically distinguishable from at least one ionic type, preferably a matrix material that conducts oxygen ions, and is physically distinct from the matrix material and has mechanical, catalytic, At least one of which can improve at least one of the components. The component is present in such a way as to prevent continuous conduction of electrons across the membrane through the component.

따라서, 본 발명은 다상의 복합재료에 관한 것인데, 상기 복합재료는 페로브스카이트와 같은 제 1 혼합 전도체상 및 제조 도중의 미세균열을 방지하고 처리 및 작업 도중의 특수한 대기 제어를 제거시켜주며 혼합 전도체상만이 존재할 때에 비해 기계적 특성, 열 사이클러빌리티(cyclability), 대기 사이클러빌리티 및/또는 표면 교환 속도를 개선시킬 수 있는 제 2 구성성분상으로 이루어진다.Thus, the present invention relates to a multiphase composite material, which prevents the formation of a first mixed conductor phase, such as perovskite, and microcracks during manufacture, eliminating special atmospheric control during processing and operation, A second component capable of improving mechanical properties, cyclability, atmospheric cyclability and / or surface exchange rate compared to when only a conductor image is present.

본 발명은 적합한 제 2 구성성분상을 혼합 전도체내로 도입함으로써, 산소 투과성능을 저하시킴이 없이 기계적 특성 및, 바람직하게는 촉매 특성이 개선된 조성물을 제공한다. 이러한 제 2 상은 소결 도중에 발생되는 조성 응력(compositional stress) 및 그 밖의 응력을 완화시키고 혼합 전도체상내에서의 미세균열의 전파를 방지하며 기계적 특성(특히 인장강도)을 현저하게 개선할 수 있다. 대기 제어가 소결공정 도중에 제거될 수 있으므로, 제조 규모를 증대하는 데에도 용이하고 비용이 절감된다. 열 사이클링 도중에 대기 제어를 제거할 수 있는 능력은 온도나 가스 조성의 변화에 대해 더욱 견고한 실제 시스템에 막을 사용하는 것을 용이하게 해준다.The present invention provides compositions with improved mechanical and, preferably, catalytic properties without degrading the oxygen permeability, by introducing a suitable second component phase into the mixed conductor. Such a second phase can alleviate the compositional stress and other stresses generated during sintering, prevent the propagation of microcracks in the mixed conductor phase, and significantly improve the mechanical properties (especially tensile strength). Since the atmospheric control can be removed during the sintering process, it is easy to increase the manufacturing scale and the cost is reduced. The ability to remove atmospheric control during thermal cycling facilitates the use of a membrane in a more robust real system for changes in temperature or gas composition.

본 발명은 가스 성분을 가스 혼합물로부터 분리하기 위한 조밀한 막 및 다공성 코팅을 갖는 고상 전해질 이온 투과막 복합물에 의해 또한 달성될 수 있다. 상기 조밀한 막은 제 1 및 제 2 표면을 가지며, 1종 이상의 이온 타입을 전도시키는매트릭스 재료로 구성되며, 상기 매트릭스 재료의 기계적 특성, 촉매 특성 및 소결작용중 적어도 하나를 향상시키는 구성성분을 포함하며, 이 구성성분은 막을 가로질러 이 성분을 통한 연속적인 전자 전도를 방지하는 방식으로 존재한다. 상기 다공성 코팅은 막의 제 1 및 제 2 표면중 하나에 침착되어 가스종과 관련된 표면 반응 속도를 향상시킨다.The present invention can also be achieved by a solid electrolyte ion-permeable membrane composite having a dense membrane and porous coating for separating gas components from the gas mixture. The dense film comprising a matrix material having first and second surfaces and conducting at least one ionic type and comprising at least one of mechanical, catalytic and sintering properties of the matrix material, , This component is present in such a way as to prevent continuous electron conduction across the membrane through this component. The porous coating is deposited on one of the first and second surfaces of the membrane to enhance the surface reaction rate associated with the gas species.

본 발명은 다공성 코팅을 다상의 조밀한 고상 전해질 이온 투과 막상에 도입시켜 상기 조밀한 막에 대한 표면 속도론적 교환을 향상시킴으로써 촉매 특성이 개선된 조성물을 제공한다. 상기 다공성 코팅은 상기 조밀한 전해질 투과막만이 존재할 때 보다 촉매 활성 또는 표면 교환 속도론을 현저하게 향상시킨다.The present invention provides a composition having improved catalytic properties by introducing a porous coating onto a multi-phase dense solid electrolyte ion permeable membrane to improve surface kinetic exchange for the dense membrane. The porous coating significantly improves catalytic activity or surface exchange kinetics when only the dense electrolyte permeable membrane is present.

상기 다공성 코팅층은 상기 조밀한 막의 반응 표면상에 침착된다. 설명의 목적으로, 본 발명에 따른 복합막의 양극측을 메탄함유 가스를 사용하여 퍼지시킬 때, 메탄의 표면반응 속도는 상기 막표면에 커다란 표면 영역을 제공함으로써 현저하게 증가될 수 있다.The porous coating layer is deposited on the reactive surface of the dense membrane. For purposes of illustration, when purging the anode side of a composite membrane according to the present invention with a methane containing gas, the surface reaction rate of methane can be significantly increased by providing a large surface area on the membrane surface.

이는 다공성층을 막의 양극측상에 침착시키는 경우에 특히 사실인데, 이는 상기 퍼지가스의 반응 성분이 메탄인 경우 속도 제한 단계가 일반적으로 상기 막의 양극측에 존재하기 때문이다. 상기 막의 음극측에 속도 제한 단계가 존재하는 특정한 화학반응이 있을 수 있다. 그러한 경우에, 상기 다공성 코팅은 적어도 음극측상에 침착된다.This is especially true when the porous layer is deposited on the anode side of the membrane because the rate limiting step is generally on the anode side of the membrane when the reactive component of the purge gas is methane. There may be a particular chemical reaction where there is a rate limiting step on the cathode side of the membrane. In such a case, the porous coating is deposited at least on the cathode side.

한 가지 바람직한 구체예로서, 상기 코팅은 양극측 및 음극측 둘 모두의 표면상에 침착된다. 이는 이중 코팅된 조밀한 막을 용이하게 제조하게 하므로 특히바람직하다.In one preferred embodiment, the coating is deposited on the surface of both the anode side and the cathode side. This is particularly preferred because it allows easy manufacture of a double-coated dense film.

코팅층을 상기 조밀한 매트릭스 재료의 양측에 침착시키는 것은 상기 막표면에 대한 기계적 응력의 가능한 효과를 방지 또는 감소시키도록 상기 코팅의 균형을 맞추어준다. 경화시, 상기 다공성 코팅은 상기 코팅이 한쪽 측면에만 형성되는 경우에 상기 조밀한 매트릭스 재료의 한쪽 측면에 기계적 응력을 발생시킬 수 있다. 따라서, 상기 코팅의 결과로서 발생되는 불균형적 응력을 감소시키기 위해 조밀한 매트릭스 재료의 양쪽 측면에 코팅층을 침착시키는 것이 바람직하다.Depositing a coating layer on either side of the dense matrix material balances the coating to prevent or reduce the possible effect of mechanical stress on the film surface. Upon curing, the porous coating can generate mechanical stress on one side of the dense matrix material if the coating is formed on only one side. It is therefore desirable to deposit the coating layer on both sides of the dense matrix material to reduce the unbalanced stresses that result from the coating.

산소이온을 투과시키는 혼합 전도성 산화물의 조밀한 막은 무한한 산소/질소 선택도를 가진다. 이러한 재료의 예가 하기 표 1에 주어져 있으며 그러한 예는 페로브스카이트 구조 또는 브라운밀러라이트인 A2B2O5와 같은 산화물로부터 유도될 수 있는 구조를 갖는 여러 산화물을 포함한다. 이러한 세라믹 막의 공통적인 문제점은 튜브와 같은 커다란 엘리먼트를 제작하고 이들을 높은 신뢰성을 요하는 상업용 시스템에 사용하는 것을 어렵게 하는 인장시의 취성 및 낮은 기계적 강도이다. 이들 제한은 페록스카이트와 같은 혼합 전도체, 및 단지 혼합 전도체상만을 사용한 경우에 비해 공기 중에서의 제작 도중의 미세균열을 방지하고 기계적 특성을 개선하고 열/대기 사이클러빌리티를 향상시키고 표면 교환 속도를 향상시키기 위한 금속과 같은 적합한 제 2 구성성분상으로 구성되는 이중상 재료를 사용하는 본 발명에 의해 해결된다.The dense membrane of mixed conducting oxide that permeates oxygen ions has infinite oxygen / nitrogen selectivity. Examples of such materials are given in Table 1 and examples thereof include various oxides having a structure that can be derived from oxides such as perovskite structure or brown millerite, A 2 B 2 O 5 . A common problem with such ceramic membranes is the brittleness and low mechanical strength during tension making it difficult to fabricate large elements such as tubes and to use them in high-reliability commercial systems. These limitations prevent mixed conductors such as peroxides and microcracks during fabrication in air compared to using only mixed conductor phases, improve mechanical properties, improve thermal / atmospheric cyclability and increase surface exchange rate Which is composed of a suitable second component, such as a metal, for improving the properties of the second component.

적합한 이온투과막 재료로는 산소이온을 투과시킬 수 있는 이온성 전도체 및혼합 전도체가 있다. 본 발명에 따라 사용되는 경우, 상기 제 1 상을 포함하는 이온 투과 재료는 바람직하게는 제 2 구성성분상의 존재와 무관하게 산소이온 및 전자 둘 모두를 투과시킨다. 본 발명에 따라 제 2 구성성분상이 첨가될 수 있는 제 1 상 재료에 대한 더욱 포괄적인 설명이 하기 실시예에 주어져 있다.Suitable ion-permeable membrane materials include ionic conductors and mixed conductors that can permeate oxygen ions. When used in accordance with the present invention, the ion-permeable material comprising the first phase preferably transmits both oxygen ions and electrons irrespective of the presence on the second component. A more comprehensive description of the first phase material to which the second component phase may be added in accordance with the present invention is given in the following examples.

다른 구체예에서, 적합한 이온 투과막 재료로서는 산소이온을 투과시킬 수 있는 혼합 전도체를 포함한다. 본 발명에 따라 사용되는 경우, 상기 혼합 전도체상은 제 2 전자 전도상의 존재와 무관하게 산소이온 및 전자 둘 모두를 투과시킬 수 있다. 본 발명의 혼합 전도성 고상 전해질의 예가 아래의 표 1에 제공되어 있으나, 본 발명은 상기 표에 요약된 재료의 조성에만 한정되지 않는다. 혼합 전도체만으로 구성되는 재료 이외의 조밀한 매트릭스 재료도 본 발명에 의해 고려된다.In another embodiment, suitable ion permeable membrane materials include mixed conductors capable of permeating oxygen ions. When used in accordance with the present invention, the mixed conductor phase can transmit both oxygen ions and electrons irrespective of the presence of the second electron conduction phase. Examples of mixed conducting solid electrolytes of the present invention are provided in Table 1 below, but the present invention is not limited to the composition of the materials summarized in the above table. A dense matrix material other than a material consisting solely of mixed conductors is also contemplated by the present invention.

표 1 :혼합 전도성 고상 전해질 Table 1: Mixed Conducting Solid State Electrolytes

재 료 의 조 성Composition of materials 1.One. (La1-xSrx)(Co1-yFey)O3-δ(0≤x≤1, 0≤y≤1, 화학량론으로부터의 δ)(La 1-x Sr x ) (Co 1-y Fe y ) O 3 -? (0 ? X ? 1, 0 ? Y ? 1, 2.2. SrMnO3-δSrMn1-XCoXO3-δ(0≤x≤1, 0≤y≤1, 화학량론으로부터의 δ)Sr1-XNaXMnO3-δ SrMnO 3-δ SrMn 1-X Co X O 3-δ (0≤x≤1, 0≤y≤1, δ from stoichiometry) Sr 1-X Na X MnO 3-δ 3.3. BaFe0.5Co0.5YO3SrCeO3YBa2Cu3O7-β(0≤β≤1, 화학량론으로부터의 δ) BaFe 0.5 Co 0.5 YO 3 SrCeO 3 YBa 2 Cu 3 O 7-β (0≤β≤1, δ from stoichiometry) 4.4. La0.2Ba0.8Co0.8Fe0.2O2.6; Pr0.2Ba0.8Co0.8Fe0.2O2.6 La 0.2 Ba 0.8 Co 0.8 Fe 0.2 O 2.6 ; Pr 0.2 Ba 0.8 Co 0.8 Fe 0.2 O 2.6 5.5. AxA'x'A"x"ByB'y'B"y"O3-Z(x,x',x"y,y',y"는 모두 0 내지 1 범위임)여기서, A,A',A"는 1,2,3족 및 f-블록 란타니드에서 선택되고, B,B',B"는 d-블록 전이금속에서 선택됨 A x A 'x' A " x" B y B 'y' B "y" O 3-Z , where (x, x ', x " y, y', y" are all 0 to 1 range Im), A , A ', A "are selected from 1,2,3 and f-block lanthanides and B, B', B" are selected from d-block transition metals 6.6. (a) Co-La-Bi 타입: 코발트 산화물15 내지 75 몰%란타늄 산화물13 내지 45 몰%비스무스 산화물17 내지 50 몰%(b) Co-Sr-Ce 타입: 코발트 산화물15 내지 40 몰%스트론튬 산화물40 내지 55 몰%세륨 산화물15 내지 40 몰%(c) Co-Sr-Bi 타입: 코발트 산화물10 내지 40 몰%스트론튬 산화물5 내지 50 몰%비스무스 산화물35 내지 70 몰%(d) Co-La-Ce 타입: 코발트 산화물10 내지 40 몰%란타늄 산화물 10 내지 40 몰%세륨 산화물30 내지 70 몰%(e) Co-La-Sr-Bi 타입: 코발트 산화물 15 내지 70 몰%란타늄 산화물1 내지 40 몰%스트론튬 산화물1 내지 40 몰%비스무스 산화물25 내지 50 몰%(f) Co-La-Sr-Ce 타입: 코발트 산화물 10 내지 40 몰%란타늄 산화물1 내지 35 몰%스트론튬 산화물1 내지 35 몰%세륨 산화물30 내지 70 몰%(a) Co-La-Bi type: 15 to 75 mol% of cobalt oxide 13 to 45 mol% of lanthanum oxide 17 to 50 mol% of bismuth oxide (b) Co-Sr-Ce type: 15 to 40 mol% of cobalt oxide (C) Co-Sr-Bi type: cobalt oxide 10 to 40 mol% strontium oxide 5 to 50 mol% bismuth oxide 35 to 70 mol% (c) Co-La- Ce type: cobalt oxide 10 to 40 mol% lanthanum oxide 10 to 40 mol% cerium oxide 30 to 70 mol% Co-La-Sr-Bi type: cobalt oxide 15 to 70 mol% lanthanum oxide 1 to 40 mol% Strontium oxide 1 to 40 mol% bismuth oxide 25 to 50 mol% Co-La-Sr-Ce type cobalt oxide 10 to 40 mol% lanthanum oxide 1 to 35 mol% strontium oxide 1 to 35 mol% cerium oxide 30 To 70 mol% 7.7. Bi2-x-yM'xMyO3-δ(0≤x≤1, 0≤y≤1, 화학량론으로부터의 δ)여기서, M'x는Er,Y,Tm,Yb,Tb,Lu,Nd,Sm,Dy,Sr,Hf,Th,Ta,Nb,Pb,Sn,In,Ca,Sr,La 및 이들의 혼합물이고, M은 Mn,Fe,Co,Ni,Cu 및 이들의 혼합물이다 Bi 2-xy M 'x M y O 3-δ (0≤x≤1, 0≤y≤1, δ from stoichiometry) where, M' x is Er, Y, Tm, Yb, Tb, Lu, Wherein M is Mn, Fe, Co, Ni, Cu, and mixtures thereof, wherein M is at least one element selected from the group consisting of Nd, Sm, Dy, Sr, Hf, Th, Ta, Nb, Pb, Sn, In, 8.8. BaCe1-xGdxO3-x/2여기서, x는 0 내지 1 범위임BaCe 1-x Gd x O 3-x / 2 where x ranges from 0 to 1

9.9. AsA'tBuB'vB"WOX패밀리, 이들의 조성은 미국 특허 5,306,411(마자넥 등)에 설명되어 있으며 다음과 같음:A는 란타니드 또는 Y, 또는 이들의 혼합물이고;A'는 알카리 토금속 또는 이들의 혼합물이고;B는 Fe이고;B'는 Cr 또는 Ti, 또는 이들의 혼합물이고;B"는 Mn,Co,V,Ni 또는 Cu, 또는 이들의 혼합물이고;s,t,u,v,w 및 x는 다음과 같은 수치임;s/t는 약 0.01 내지 약 100이고;u는 약 0.01 내지 약 1이고;v는 0 내지 약 1이고;W는 0 내지 약 1이고;x는 상기 조성식에서 A,A',B,B',B"의 원자가를 만족시키는 수이며; 0.9 < (s+t)/(u+v+w) < 1.1A s A 't B u B' v B "W O X family, and their compositions are described in (such as as soon as the neck), U.S. Patent 5,306,411 and as follows: A is a lanthanide or Y, or a mixture thereof; A 'is an alkaline earth metal or a mixture thereof, B is Fe, B' is Cr or Ti, or a mixture thereof, B 'is Mn, Co, V, Ni or Cu, t is from about 0.01 to about 100; u is from about 0.01 to about 1; v is from 0 to about 1; W is from 0 to about 1; (X + v + w) &lt; 1.1 where x is a number satisfying the valence of A, A ', B, B' 10.10. La1-xSrxCu1-yMyO3-d패밀리 재료중 하나, 여기서M은 Fe 또는 Co 이고;x는 0 내지 약 1이고;y는 0 내지 약 1이고;d는 상기 조성식에서 La,Sr,Cu 및 M의 원자가를 만족하는 수이다One of La 1-x Sr x Cu 1-y M y O 3-d family material, where M is Fe or Co; x is 0 to about 1, and; y is 0 to about 1, and; d is in the composition formula La, Sr, Cu and M 11.11. Ce1-xAxO2-d패밀리 재료중 하나, 여기서A는 란타니드, Ru 또는 Y; 또는 이들의 혼합물이고;x는 0 내지 약 1이고;d는 상기 조성식에서 Ce와 A의 원자가를 만족하는 수이다Ce 1-x A x O 2 -d family material, wherein A is lanthanide, Ru or Y; Or mixtures thereof, x is from 0 to about 1, and d is a number satisfying the valency of Ce and A in the composition formula 12.12. Sr1-xBixFeO3-d패밀리 재료중 하나, 여기서x는 0 내지 약 1이고;y는 0 내지 약 1이고;d는 상기 조성식에서 Ce와 A의 원자가를 만족하는 수이다One of the Sr 1-x Bi x FeO 3 -d family materials, where x is from 0 to about 1, y is from 0 to about 1, and d is a number satisfying the valence of Ce and A in the composition formula 13.13. SrxFeyCo2Ow 패밀리 재료중 하나, 여기서x는 0 내지 약 1이고;y는 0 내지 약 1이고;z는 0 내지 약 1이고;w는 상기 조성식에서 Sr,Fe 및 Co의 원자가를 만족하는 수이다.Where x is from 0 to about 1, y is from 0 to about 1, z is from 0 to about 1, and w is the valence of Sr, Fe, and Co in the composition formula: Sr x Fe y Co 2 Ow family material It is a satisfying number. 14.14. 이중상 혼합 전도체(전자/이온):(Pd)0.5/(YSZ)0.5(Pt)0.5/(YSZ)0.5(B-MgLaCrOx)0.5(YSZ)0.5(In90%Pt10%)0.6/(YSZ)0.5(In90%Pt10%)0.5/(YSZ)0.5(In95%Pt2.5%Zr2.5)0.5/(YSZ)0.5고온의 금속상(예를들어,Pd,Pt,Ag,Au,Ti,Ta,W)이 첨가된 상기 1 내지 13번의 난에 기술된 재료중 어느 하나. Dual phase mixed conductors (electronic / ionic): (Pd) 0.5 / ( YSZ) 0.5 (Pt) 0.5 / (YSZ) 0.5 (B-MgLaCrO x) 0.5 (YSZ) 0.5 (In 90% Pt 10%) 0.6 / (YSZ ) 0.5 (in 90% Pt 10 %) 0.5 / (YSZ) 0.5 (in 95% Pt 2.5% Zr 2.5) 0.5 / (YSZ) 0.5 high temperature the metal (e.g., Pd, Pt, Ag, Au , Ti , Ta, W) is added to the above-mentioned material.

일반적으로, 제 2 구성성분상 재료를 선택함에 있어서 주로 고려해야할 사항은 다음과 같다. (1) 제 2상과 이온 투과재료 사이의 열팽창 계수(TEC)의 조화. (2)제 2 상과 이온 투과재료 사이의 화학적 양립성. (3) 상기 제 2 상과 이온 투과재료의 매트릭스 사이의 양호한 결합성. (4) 소결 및 냉각 도중의 응력을 해제시키기 위한 제 2 상의 유연성. (5) 낮은 비용. 상기 TEC 조화는 상기 복합재료가 제작으로부터 냉각되는 경우 제 2 상 내부 및 그 주위에서 보통 응력이 생성되므로 중요하다. 부정확한 제 2 상 재료의 선택으로 제작 및 작동 도중에 유도된 열응력에 의해 박리 또는 균열을 초래할 수 있다. 이는 이온 투과재료와 제 2 상 사이의 두 열팽창 계수의 차이를 감소시킴으로써 최소화할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 이온 투과재료는 매트릭스 재료로서 기술되고, 제 2 상은 구성성분으로서 기술된다.In general, the matters to be considered in selecting the material on the second component are as follows. (1) Coordination of the thermal expansion coefficient (TEC) between the second phase and the ion permeable material. (2) Chemical compatibility between the second phase and the ion permeable material. (3) Good bond between the second phase and the matrix of ion permeable material. (4) Flexibility of the second phase to relieve stresses during sintering and cooling. (5) low cost. The TEC coordination is important because normal stresses are created in and around the second phase when the composite material is cooled from fabrication. Selection of an incorrect second phase material may lead to peeling or cracking due to thermal stress induced during fabrication and operation. This can be minimized by reducing the difference in the two thermal expansion coefficients between the ion-permeable material and the second phase. In another embodiment, the ion-permeable material is described as a matrix material and the second phase is described as a constituent.

화학적 양립성은 이온 투과재료의 고온 작동 및 처리에 의해 상기 재료의 분해(degradation)를 초래하여 막의 성능을 저하시킬 수 있는 이온 투과재료와 제 2 상 사이의 상호작용 및 상호확산이 유발되므로 중요하다. 그러므로, 상기 제 2 상은 고온에서의 불리한 상호작용 및 상호확산을 방지하도록 상기 이온 투과재료와 바람직하지 않게 반응하지 않아야 하거나 이에 대해 화학적으로 불활성이어야 한다.Chemical compatibility is important because it causes degradation of the material by high temperature operation and treatment of the ion permeable material, and interactions and mutual diffusion between the ion permeable material and the second phase, which may degrade the performance of the membrane, are caused. Therefore, the second phase should not react undesirably with the ion permeable material or be chemically inert thereto to prevent adverse interactions and interdiffusion at high temperatures.

양호한 결합력은 상기 제 2상과 이온 투과재료 사이에서 발생하는 박리가 재료의 강도에 악영향을 끼킬 수 있으므로 중요하다. 균열이나 틈은 용이하게 확산될 수 있어서 재료의 파괴를 유발한다.A good bonding force is important because peeling occurring between the second phase and the ion-permeable material may adversely affect the strength of the material. Cracks and crevices can easily diffuse, causing breakage of the material.

제 2상의 구성성분상의 유연성은 다수의 이온 투과재료가 매우 높은 열팽창계수를 가지므로 중요하다. 높은 TEC는 이온 투과재료의 처리 및 작동 도중에 높은 열응력을 유발하며, 이는 재료의 파괴를 초래할 수 있다. 제 2 상의 유연성은소결 및/또는 냉각 도중에 발생된 응력을 해제할 수 있다.The flexibility of the second phase component is important because many ion permeable materials have very high thermal expansion coefficients. High TECs cause high thermal stresses during processing and operation of the ion permeable material, which can lead to material failure. The flexibility of the second phase can release stresses generated during sintering and / or cooling.

상기 고려사항 이외에도, 제 2상의 촉매 활성은 복합 이온 투과막의 표면 반응 속도론을 바람직하게 개선한다. 그러므로, 증가된 촉매 활성은 주어진 구성 성분 또는 전자전도상에 대한 고비용을 감소시킬 수 있다.In addition to the above considerations, the catalytic activity of the second phase preferably improves the surface kinetics of the composite ion-permeable membrane. Therefore, increased catalytic activity can reduce the high cost of a given component or electronic conduction phase.

본 발명에 따른 구성성분상은 이온 투과막을 가로질러 전자적으로 연속적이지 않다. 그러나, 상기 구성성분은 비전자전도성 재료로 형성된 경우에 물리적으로 연속적일 수 있다. 무작위로 분포된 전자 전도성 구성성분은 상기 구성성분이 상기 막을 통과하는 전자의 퍼콜레이션 한계 미만이 되는 방식으로 존재함을 보장하도록 30 부피% 미만인 것이 바람직하다.The constituent component phase according to the invention is not electronically continuous across the iontophoretic membrane. However, the constituent components may be physically continuous when formed of a non-electroconductive material. It is preferred that the randomly distributed electronically conductive component is less than 30% by volume to ensure that the component is present in such a way that it is below the percolation limit of the electrons passing through the film.

상기 제 2 구성성분상은 상기 막의 작동온도에서 안정한 은, 팔라듐, 백금, 금, 로듐, 티타늄, 니켈, 루테늄, 텅스텐, 탄탈과 같은 금속, 또는 이와같은 금속 2개 이상의 합금으로부터 선택될 수 있다. 적합한 고온 합금으로는 인코넬, 하스텔로이, 모넬, 및 듀크롤로이가 있다. 은, 팔라듐, 또는 은/팔라듐 합금이 바람직하다. 또한 상기 제 2상은 산화 프라제오디뮴-인듐 혼합물, 산화 니오븀-티타늄 혼합물, 산화 티타늄, 산화 니켈, 산화 텅스텐, 산화 탄탈, 세리아(ceria), 지르코니아, 마그네시아, 또는 이들의 혼합물과 같은 세라믹으로부터 선택될 수 있다. 산화 티타늄 또는 산화 니켈과 같은 몇몇 세라믹 제 2 상은 산화물 형태로 도입될 수 있으며, 그후 환원 분위기하에서 작동하는 동안에 금속으로 환원된다.The second component phase may be selected from two or more alloys of metals such as silver, palladium, platinum, gold, rhodium, titanium, nickel, ruthenium, tungsten, tantalum or the like that are stable at the operating temperature of the film. Suitable high temperature alloys include Inconel, Hastelloy, Monel, and Duke Rolls. Silver, palladium, or silver / palladium alloy is preferable. The second phase is also selected from ceramics such as an oxidized praseodymium-indium mixture, a niobium oxide-titanium mixture, titanium oxide, nickel oxide, tungsten oxide, tantalum oxide, ceria, zirconia, magnesia, or mixtures thereof . Some ceramic second phases, such as titanium oxide or nickel oxide, may be introduced in oxide form and then reduced to metal during operation in a reducing atmosphere.

본 발명을 수행하기 위한 다른 방법은 이온 투과 매트릭스를 보강하기 위해, 유리, 석면, 세리아, 지르코니아 또는 마그네시아 섬유 또는 와이어, 또는 마이카와 같은 재료의 조각과 같은 물리적으로 연속적인 비전자전도성 제 2 구성성분상을 이용하는 것을 포함한다. 상기 연속적인 제 2상은 이온 투과 매트릭스내에 실질적으로 균일하게 분포되어, 이온 투과막을 구조적으로 보강하고 이온 투과막의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다. 상기 섬유의 직경은 통상적으로 1㎜ 미만, 바람직하게는 0.1㎜ 미만, 더욱 바람직하게는 0.01㎜ 미만, 가장 바람직하게는 1㎛ 미만이다. 통상적으로 종횡비(길이대 직경)는 10을 초과하고, 바람직하게는 100을 초과하고, 더욱 바람직하게는 1000을 초과한다.Another method for carrying out the present invention is to use a physically continuous non-electroconductive second component such as glass, asbestos, ceria, zirconia or magnesia fibers or wire, or a piece of material such as a mica to reinforce the ion- Lt; / RTI &gt; The continuous second phase is distributed substantially uniformly in the ion permeable matrix, structurally reinforcing the ion permeable membrane and improving the mechanical properties of the ion permeable membrane. The diameter of the fibers is usually less than 1 mm, preferably less than 0.1 mm, more preferably less than 0.01 mm, and most preferably less than 1 탆. Typically, the aspect ratio (length to diameter) is greater than 10, preferably greater than 100, and more preferably greater than 1000.

이후, 본 발명은 혼합 전도성 La.2Sr.8Fe.69Co.1Cr.2Mg.01Ox및 은/팔라듐 합금 제 2 상을 함유하는 복합 이온 투과막에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the composite ion-permeable membrane containing mixed conductive La . 2 Sr .8 Fe .69 Co .1 Cr .2 Mg .01 O x and silver / palladium alloy second phase will be described in detail.

< 실시예 1- La&Lt; Example 1- La .2.2 SrSr .8.8 FeFe .69.69 CoCo .1.One CrCr .2.2 MgMg .01.01 OO xx 과 50Ag/50Pd 합금의 기계적 특성이 개선된 이온 투과막>And 50Ag / 50Pd alloy with improved mechanical properties>

기계적으로 향상된 이온 투과 재료를 미국 뉴져지주 싸우스 플레인필드 소재의 데구사 코포레이션으로부터 입수가능한 50중량% Ag 와 50중량% Pd의 Ag/Pd 합금(이후, 50Ag/50Pd 합금이라 칭함)과 미국 워싱턴주 우딘빌 소재의 SSC, 인코포레이티드(현재는 PSC 오브 프랙스에어 서페이스 테크놀로지, 인코포레이티드사)로부터 입수한 La.2Sr.8Fe.69Co.1Cr.2Mg.01Ox혼합 전도체 분말을 다양한 중량비(5, 10 및 20 중량%)로 스펙스 혼합기(미국 뉴져지 에디슨 소재의 스펙스 인더스트리즈)를 사용하여 15 내지 20분 동안 혼합함으로써 제조하였다. 그 후, 상기 분말을 3wt%의 PVB(Butvar of Monsanto, St. Louis, MO)를 함유하는 2-프로판올 용액에 첨가하고,2-프로판올을 증발시키기 위해 80℃에서 자기 교반기에 의해 혼합한 후, 가압전에 74㎛ 의 메쉬 크기를 통해 체질하였다. 기계적으로 향상된 막 디스크는 1.5" 다이를 사용하여 10.4 kpsi압력하에서 제조한 후 결합제를 연소(25 내지 400℃에서 1℃/분 및 1시간 동안 유지)한 후, 공기중에서 2℃/분의 가열/냉각 속도로 2시간 동안 1250℃에서 소결시켰다.A mechanically enhanced ion permeable material was prepared from 50 wt.% Ag and 50 wt.% Pd Ag / Pd alloy (hereinafter referred to as 50Ag / 50Pd alloy) available from Degussa Corporation, Sausalpurane Field, 2 Sr .8 Fe .69 Co .1 Cr .2 Mg .01 O x (available from SSC, Inc. of Udineville, Pa. (Now PSC Observation Air Surface Technology, Inc.) Mixed conductor powders were prepared by mixing for 15 to 20 minutes at various weight ratios (5, 10, and 20 wt%) using a SPECS mixer (SPECS Industries, Inc., Edison, NJ). The powder was then added to a 2-propanol solution containing 3 wt% PVB (Butvar of Monsanto, St. Louis, Mo.), mixed by a magnetic stirrer at 80 캜 for evaporating 2-propanol, And sieved through a mesh size of 74 mu m before pressing. Mechanically enhanced membrane disks were prepared using a 1.5 "die at 10.4 kpsi pressure and then burned (25 ° C to 400 ° C at 1 ° C / min and held for 1 hour) And sintered at 1250 DEG C for 2 hours at a cooling rate.

소결된 디스크의 미세구조는 화학적 조성을 분석하기 위한 에너지 분산 스펙트로스코피(EDS)와 함께 광학 현미경 및 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 검사하였다. x선 회절(XRD)분석은 이온 투과막에 대한 제 2상의 양립성을 연구하기 위한 Cu Kα방사선을 갖는 리가꾸(Rigaku) 미니플렉스 회절기를 사용하여 수행하였다. 기계적 강도는 인스트론 인장 시험기를 사용하여 19㎜ 스팬(span) 및 0.5㎜/분의 크로스 헤드 속도로 3점 굽힘 시험에 의해 실온에서 측정하였다. 샘플(30 ×4 ×3㎜)은 건식 단축 가압 후 30 kpsi 의 냉각 등가압하여 제조한 후, 1250℃에서 2시간동안 소결시켰다. 모든 시편은 임의의 엣지 결함을 방지하기 위해 테스트 이전에 합성 다이아몬드 디스크를 사용하여 절단하고 폴리싱하였다. 시험은 각각의 조성에 대해 5개의 시편으로 수행하였다. 산소 투과율은 금 페이스트로 알루미늄 시험 셀내에 밀봉된 소결 디스크 시편을 사용하여 측정하였다. 투과시험은 He 불활성 가스 퍼지 및 상이한 반응성 퍼지가스로 900 내지 1000℃에서 수행하였다. HP 5890 가스 크로마토그래피, 산소 분석기 및 습도 분석기를 사용하여 가스의 조성을 분석하고 산소 플럭스를 계산하였다.The microstructures of the sintered discs were examined using an optical microscope and a scanning electron microscope (SEM) together with energy dispersion spectroscopy (EDS) to analyze the chemical composition. X-ray diffraction (XRD) analysis was performed using a Rigaku Miniflex diffractometer with Cu K? radiation to study the compatibility of the second phase with the ion permeable membrane. Mechanical strength was measured at room temperature by a three point bend test using a 19 mm span and a crosshead speed of 0.5 mm / min using an Instron tensile tester. The sample (30 × 4 × 3 mm) was produced by pressurizing with cooling at 30 kpsi after dry uniaxial pressing, and sintering at 1250 ° C. for 2 hours. All specimens were cut and polished using a synthetic diamond disk prior to testing to prevent any edge defects. The test was performed with five specimens for each composition. The oxygen permeability was measured using a sintered disk specimen sealed in an aluminum test cell with a gold paste. The permeation test was carried out at 900 to 1000 DEG C with a He inert gas purge and a different reactive purge gas. HP 5890 gas chromatography, oxygen analyzer and humidity analyzer were used to analyze the gas composition and calculate the oxygen flux.

기계적으로 향상된 이온 투과재료의 목표는 이온 투과 매트릭스의 기계강도를 증가시키고 소결 도중의 질소 분위기의 필요성을 가능하게는 제거시키는 것이다. 상기 시험의 초기 결과는 제 2상(Ag/Pd 합금)이 소결 도중에 발생되는 조성 응력 및 그 밖의 응력을 경감시키고 혼합 전도체상내에 미세-균열의 전파를 방지함으로써 이온 투과재료 디스크의 기계적 강도를 개선시킬 수 있는 것으로 나타났다. 도 1은 소결된 이온 투과재료 디스크의 균열밀도가 제 2상의 양을 증가시킴으로써 현저히 감소될 수 있음을 나타낸다. 3덤 굽힘시험에 의한 이온 투과재료의 파괴강도에 대한 제 2상 농도의 효과가 도 2의 곡선(90)으로 표시되어 있다. 상기 결과는 상기 제 2상이 0으로부터 20wt%로 증가함에 따라 이온 투과재료의 파괴강도가 현저하게 증가(0으로부터 175MPa로)함을 나타낸다. Ag/Pd 합금의 사용으로 균열밀도가 현저하게 감소되고 이온 투과 디스크의 기계적 강도가 증가하는 것으로 나타났다. 이는 소결 도중의 조성 응력을 감소시키면서 균열의 성장을 막음으로써 이중상 이온 투과 디스크의 기계적 강도를 향상시키는 금속상으로 인한 것으로 믿어진다. 도 3에 나타난 XRD 결과는, 1250℃에서의 소결이후에 어떤 추가의 상의 검출됨이 없이, 20%Ag/Pd 합금(스펙트럼 100)과 La.2Sr.8Fe.69Co.1Cr.2Mg.01Ox(스펙트럼 102) 사이의 양호한 양립성을 또한 나타내었다.The goal of the mechanically improved ion permeable material is to increase the mechanical strength of the iontransmitting matrix and possibly to eliminate the need for a nitrogen atmosphere during sintering. The initial result of this test was to improve the mechanical strength of the iontransmitting material disk by reducing the composition stress and other stresses generated during sintering of the second phase (Ag / Pd alloy) and preventing the propagation of micro-cracks in the mixed conductor phase . Figure 1 shows that the sintered ion-permeable material disk's crack density can be significantly reduced by increasing the amount of the second phase. The effect of the second phase concentration on the fracture strength of the ion permeable material by the 3 dumb bend test is indicated by curve 90 in Fig. The results show that the breaking strength of the ion permeable material increases significantly (from 0 to 175 MPa) as the second phase increases from 0 to 20 wt%. The use of Ag / Pd alloys significantly reduced the crack density and increased the mechanical strength of the iontophoretic disk. It is believed that this is due to the metal phase, which improves the mechanical strength of the dual phase iontophoretic disk by preventing the growth of cracks while reducing the composition stress during sintering. The XRD results shown in Figure 3 show that after sintering at 1250 占 폚, a 20% Ag / Pd alloy (spectrum 100) and La .2 Sr.8 Fe .69 Co .1 Cr .2 Mg .01 &lt; / RTI &gt; O x (spectrum 102).

산소 투과 시험은 1.2atm압력에서의 각각의 스트림에 대해 500sccm(분당 표준 ㎤)의 유량으로 공기/헬륨 분위기하에서 900내지 1000℃ 온도에서 0.85mm 디스크로 수행하였다. 산소 플럭스는 900, 950, 997℃에서 각각 0.5, 0.7, 0.9sccm/㎠ 이었고(곡선 110), 도 4에 도시한 바와같이, 단일 상의 시편에 대해 수득된 활성에너지(곡선 112)에 필적하는 1.0eV의 활성 에너지를 지녔다. 그러므로, 제 2 상을 사용하는 것은 상기 재료의 산소투과성능을 감소시키지 않는 것으로 나타났다.Oxygen permeation tests were performed on 0.85 mm discs at 900-1000 &lt; 0 &gt; C temperature under an air / helium atmosphere at a flow rate of 500 sccm (standard cubic centimeters per minute) for each stream at 1.2 atm pressure. The oxygen flux was 0.5, 0.7, and 0.9 sccm / cm 2 at 900, 950 and 997 ° C, respectively (curve 110), and was 1.0 (as compared to the active energy obtained for the single phase specimen eV. &lt; / RTI &gt; Therefore, the use of the second phase did not appear to reduce the oxygen permeability of the material.

상기 이중상 디스크의 시험을 퍼지측상에서 상이한 농도의 H2(10 및 20%)/N2혼합물을 사용하여 1000℃에서 수행하였다. 반응측의 H2농도가 10%에서 20%로 상승함에 따라, O2플럭스는 4.6으로부터 9.4sccm/㎠로 증가하였다. 단일상 튜브시험과 비교하여, 이중상 디스크는 도 5에 도시한 바와같이 동일한 반응성 퍼지 조건하에서 보다 높은 산소 플럭스를 또한 나타내었다. 이는 제 2상의 촉매특성으로 인한 표면 산화 속도론의 향상으로 인한 것으로 믿어진다.Testing of the dual phase disc was performed at 1000 캜 using different concentrations of H 2 (10 and 20%) / N 2 mixture on the purge side. As the H 2 concentration on the reaction side increased from 10% to 20%, the O 2 flux increased from 4.6 to 9.4 sccm / cm 2. Compared to the single-tube test, dual phase disks also exhibited higher oxygen flux under the same reactive purge conditions as shown in FIG. This is believed to be due to an improvement in the surface oxidation kinetics due to the catalyst properties of the second phase.

<실시예 2 - La&Lt; Example 2 - Synthesis of La .2.2 SrSr .8.8 FeFe .69.69 CoCo .1.One CrCr .2.2 MgMg .01.01 OO xx 과 65Ag/35Pd 합금의 기계적 특성이 개선된 이온 투과막 >And 65Ag / 35Pd alloy with improved mechanical properties>

20% 65Ag/35Pd(65wt% Ag 및 35% wt% Pd)와 La.2Sr.8Fe.69Co.1Cr.2Mg.01Ox의 조밀한 이중상 디스크를, 제 2상으로서의 50Ag/50Pd를 65Ag/35Pd로 교체한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 제조하였다. 실온 N2투과시험으로 상기 디스크가 가스-기밀성임을 확인하였다. 도 6a의 5180 배율의 주사 전자 현미경 사진은 La.2Sr.8Fe.69Co.1Cr.2Mg.01Ox매트릭스내에 잘 분포된 제 2상을 보여주며, 임의의 추가의 상 형성이나 박리를 나타내지 않았는데, 이는 상기 이온 투과 막과 상기 제 2상 사이의 양호한 양립성을 나타내준다. 시편의 표면 EDS(에너지 분산 스펙트로스코피) 스펙트럼(도 6b)은 또한 소결후의 제 2상과 매트릭스의 최소 조성 손실을 나타낸다. 소결후 제 2상에서의 Pd대 Ag의 비율(0.548)은 계기의 정확도내에서 65Ag/35Pd 합금의 비율(0.538)에 가까웠다. 상기 디스크는 공기 중에서 1200℃ 온도에서 소결한 후에 양호한 기계강도를 나타냈으며 미세한 균열은 발견되지 않았다. 산소 투과시험은 공기/헬륨 구배하에서 1000℃ 온도에서 0.9㎜ 디스크로 수행하였다. O2플럭스는 실시예 1의 이중상 시편의 산소 플럭스(20wt%의 50Pd/50Ag 제 2상을 함유하는)에 필적하는 1000℃에서의 0.8sccm/㎠ 이었다. 상기 디스크에 대한 반응성 퍼지시험을 퍼지측에서 10% H2-90% N2혼합물을 사용하여 1000℃에서 수행하였다. 20wt% 50Pd/50Ag 합금을 갖는 이중상 시편의 플럭스값에 필적하는 4.5sccm/㎠의 O2플럭스가 1000℃에서 얻어졌다.Dense dual phase discs of 20% 65Ag / 35Pd (65 wt% Ag and 35% wt% Pd) and La .2 Sr .8 Fe .69 Co .1 Cr .2 Mg .01 O x , The procedure of Example 1 was repeated except that 50Pd was changed to 65Ag / 35Pd. At room temperature N 2 permeation test, the disc was confirmed to be gas-tight. The scanning electron micrograph at 5180 magnification in FIG. 6a shows a second phase well distributed in the La . 2 Sr .8 Fe .69 Co .1 Cr .2 Mg .01 O x matrix, But did not exhibit peeling, indicating good compatibility between the ion-permeable membrane and the second phase. The surface EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) spectrum of the specimen (Figure 6b) also shows the minimum composition loss of the second phase and matrix after sintering. The ratio of Pd to Ag in the second phase after sintering (0.548) was close to the ratio of 65Ag / 35Pd alloy (0.538) within the accuracy of the gauge. The disk showed good mechanical strength after sintering at 1200 &lt; 0 &gt; C in air and no fine cracks were found. The oxygen permeation test was carried out with a 0.9 mm disk at 1000 &lt; 0 &gt; C temperature under air / helium gradient. The O 2 flux was 0.8 sccm / cm 2 at 1000 ° C comparable to the oxygen flux of the dual phase specimen of Example 1 (containing 20wt% of 50Pd / 50Ag second phase). The reactive purging test on the disk was performed at 1000 ° C using a 10% H 2 -90% N 2 mixture on the purge side. An O 2 flux of 4.5 sccm / cm 2 was obtained at 1000 캜, which is comparable to the flux value of the dual phase specimen having a 20 wt% 50Pd / 50Ag alloy.

<실시예 3 - La .2 Sr .8 Fe .69 Co .1 Cr .2 Mg .01 O x 과 90Ag/10Pd 합금의 기계적 특성이 개선된 이온 투과막> Example 3 - Ion-permeable membrane improved in mechanical properties of La . 2 Sr. 8 Fe .69 Co .1 Cr .2 Mg .01 O x and 90 Ag / 10 Pd alloy.

La.2Sr.8Fe.69Co.1Cr.2Mg.01Ox과 20wt%의 90Ag/10Pd의 조밀한 이중상 디스크는 제 2 상으로서의 50Ag/50Pd (프랙스에어 테크놀로지스 인코포레이티드에 의해 공급되는)을 90Ag/10Pd로 대체한 것을 제외하고는 실시예 1의 방법에 따라 제조하였다. 디스크와 바아는 10.4kpsi의 압력하에서 건식 압축한 후 (25내지 400℃에서 1℃/분 비율로 1시간동안) 결합제 연소시킴으로써 제조하고, 공기 중에서 2℃/분의 가열/냉각 속도로 1시간동안 1200℃에서 소결시켰다. 이들 시편에서는 비록 미세 균열이 발견되지 않았지만, 상기 시편들은 20wt%의 50Ag/50Pd 합금이 함유된 이중상 시편들에 비해 낮은 기계적 강도(평균 135Mps)를 나타내었다. 이는 50Ag/50Pd 합금에 비해 90Ag/10Pd 합금의 낮은 인장강도에 기인할 수 있다. 산소 투과시험은 다양한 퍼지가스를 사용하는 반응성 퍼지시험하에서 약 1000℃의 온도에서 압출 튜브(소결후 길이 10㎝, 내경 1㎜, 및 벽 두께 1㎜)로 수행하였다. 산소의 플럭스는 유사한 시험조건하에서 50Ag/50Pd 합금을 갖는 이중상 튜브 보다 약간 낮았다(약 10 내지 15%). 1025℃에서의 2.2 sccm/㎠ 의 산소 플럭스가 상기 튜브에 대해 60% CH4을 함유하는 퍼지 가스로 얻어졌다.The La .2 Sr .8 Fe .69 Co .1 Cr .2 Mg .01 O x and the 90Ag / 10Pd of 20wt% dense dual phase disc of the second phase as 50Ag / 50Pd (fraction's Air Technologies, Inc. Was replaced with 90Ag / 10Pd. &Lt; tb &gt;&lt; TABLE &gt; The disc and bar were prepared by burning the binder under dry pressure of 10.4 kpsi (25 ° C to 400 ° C at 1 ° C / min for 1 hour) and burning in air at a heating / cooling rate of 2 ° C / min for 1 hour And sintered at 1200 ° C. Although these specimens showed no microcracks, the specimens showed low mechanical strength (average 135 Mps) compared with the 20 wt% 50Ag / 50Pd alloy containing dual phase specimens. This can be attributed to the low tensile strength of the 90Ag / 10Pd alloy compared to the 50Ag / 50Pd alloy. The oxygen permeation test was carried out with an extruded tube (10 cm in length after sintering, 1 mm in inner diameter, and 1 mm in wall thickness) at a temperature of about 1000 캜 under a reactive purge test using various purge gases. The flux of oxygen was slightly lower (about 10-15%) than the dual phase tube with 50Ag / 50Pd alloy under similar test conditions. Oxygen flux of 2.2 sccm / ㎠ at 1025 ℃ was obtained as a purge gas containing 60% CH 4 for the tube.

더욱 일반적으로 적합한 제 1 상 재료와 관련하여, 미세균열은 소결 및 냉각 도중의 상 전이의 결과로써 ABO3페로브스카이트 구조, 또는 상기 구조로부터 유도될 수 있는 구조(예를 들어, 브라운밀러라이트, A2B2O5)에 종종 존재한다. 미세균열은 실시예 1 및 2에 나타낸 바와같이 다양한 양의 Ag/Pd 제 2상을 첨가함으로써 La.2Sr.8Fe.69Co.1Cr.2Mg.01Ox페로브스카이트에서 감소되었다. 본원에 기술된 본 발명은 ArA'sA"tBuB'vB"wOx구조식으로 표현되는 적합한 혼합 전도성 산화물을 포함하도록 의도되는데, 상기 구조식에서 A,A,'A"는 IUPAC에서 채택한 원소 주기율표에 따른 1,2,3족 및 F블록의 란탄니드 원소들로부터 선택되고 B,B'B"는 D블록 전이금속에서 선택되며, 0 < r ≤1, 0 ≤ s ≤ 1, 0 ≤ t ≤ 1, 0 ≤ u ≤ 1, 0 ≤ v ≤ 1, 0 ≤ w ≤ 1이고 x는 상기 화합물 전하를 중성이 되게 하는 숫자이다. 바람직하게는, 상기 구조식의 A, A' 또는 A"는 마그네슘, 칼슘, 스트론튬 및 바륨으로 구성된 그룹에서 선택된 2족 금속이다. 바람직한 혼합 전도성 산화물은 조성식 AsA'tBuB'vB"wOx으로 표현되며, 여기서 A는 란탄니드, Y 또는 이들의 혼합물을 나타내고, A'는 알칼리 토금속 또는 이의 혼합물을 나타내고, B는 Fe를 나타내고, B'는 Cr, Ti, 또는 이들의 혼합물을 나타내고, B"는 Mn, Co, V, Ni, Cu 또는 이들의 혼합물을 나타내고, s, t, u, v 및 w는 각각 0 내지 약 1의 수를 나타낸다.With respect to a more generally suitable first phase material, the microcracks can have an ABO 3 perovskite structure as a result of phase transformation during sintering and cooling, or a structure that can be derived from the structure (e.g., , A 2 B 2 O 5 ). The microcracks were reduced in La . 2 Sr .8 Fe .69 Co .1 Cr .2 Mg .01 O x perovskite by adding various amounts of Ag / Pd second phase as shown in Examples 1 and 2 . The invention described herein is A r A 's A "t B u B' v B" w O x there is structural formula intended to cover suitable mixed conducting oxides are represented, in the structural formulas A, A, 'A "is B and B'B "are selected from D-block transition metals and 0 <r ≤ 1, 0 ≤ s ≤ 1, selected from lanthanide elements of Group 1, 2, 3 and F blocks according to the elemental periodic table adopted by IUPAC , 0? T? 1, 0? U? 1, 0? V? 1, 0? W? 1, and x is a number that makes the compound charge neutral. Preferably, in the structural formula A, A 'or A "is a Group 2 metal selected from the group consisting of magnesium, calcium, strontium and barium. Preferred mixed conducting oxides are expressed by a composition formula A s A' t B u B 'v B" w O x wherein A represents lanthanide, Y or a mixture thereof, A 'represents an alkaline earth metal or a mixture thereof, B represents Fe and B' represents Cr, Ti, or a mixture thereof S, t, u, v and w each represent a number of 0 to about 1, and B " represents Mn, Co, V, Ni, Cu or a mixture thereof.

적합한 제 1 상 재료로는 고온 다형성 대칭 변화, 조성 응력 또는 매우 이방성인 열팽창 계수로 인해서 미세균열이 소결 도중에 발생할 수 있는 그 밖의 이온 전도성 세라믹을 또한 포함한다. 예를들어, 지르코니아는 1170℃(단사정계에서 정방정계로) 및 2370℃ (정방정계에서 입방정계로)에서 상변환을 나타낸다. 고온 다형성 대칭 변화는 보통 소결 도중에 균열을 초래한다. 그러므로, 지르코니아는 적절한 2가 또는 3가 산화물을 도입하여 입방 대칭을 수득함으로써 보통 형석계 입방상으로 안정화된다. 본 발명은 또한 고온 다형성 대칭 변화, 조성 응력 또는 매우 이방성인 열팽창 계수와 관련된 경우 지르코니아 또는 세리아와 같은 다른 세라믹의 기계적 특성의 향상을 포함하는 것으로 의도된다. 게다가, (B-MgLaCrO )0.5(YSZ)0.5와 같은 전자/이온 전도체, 또는 페로브스카이트와 결합된 지르코니아 또는 세리아와 같은 주로 이온성인 전도체가 적어도 3상을 갖는 막을 형성하기 위해 본 발명에 따른 구성성분과 추가로 결합될 수 있다.Suitable first phase materials also include other ion conductive ceramics that can occur during sintering due to high temperature polymorphic symmetry changes, composition stress, or a high anisotropic coefficient of thermal expansion. For example, zirconia exhibits phase transformation at 1170 ° C (monoclinic to tetragonal) and 2370 ° C (tetragonal to cubic). High temperature polymorphic symmetry changes usually cause cracking during sintering. Therefore, zirconia is stabilized to a cubic system cubic phase by introducing an appropriate bivalent or trivalent oxide to obtain cubic symmetry. The present invention is also intended to include improvements in the mechanical properties of other ceramics such as zirconia or ceria in the context of high temperature polymorphism symmetry changes, composition stresses or very anisotropic thermal expansion coefficients. In addition, it has been found that in order to form a film having at least three phases, an electron / ion conductor such as (B-MgLaCrO) 0.5 (YSZ) 0.5 , or a conductor in the predominant ion such as zirconia or ceria combined with perovskite, May be further combined with the components.

본 발명의 다른 구체예들은 막의 하나 이상의 표면상에 다공성 코팅을 침착시킴으로써 조밀한 막을 코팅하는 것에 관한 것이다. 상기 코팅은 막의 표면을 변형시켜, 이온 투과 도중에 촉매효과를 제공할 뿐만 아니라 표면층에 구조적 안정성을 제공하는 것으로 믿어진다.Other embodiments of the present invention are directed to coating a dense membrane by depositing a porous coating on at least one surface of the membrane. It is believed that the coating modifies the surface of the membrane to provide a catalytic effect during ion transmission as well as provide structural stability to the surface layer.

본 발명의 도면들은 본 발명의 고상 전해질 이온 투과막 복합물의 특정 구체예를 나타낸다. 도 7은 조밀한 고상 전해질 이온 전도막(701)의 양측 표면상에 침착된 다공성 코팅층(702,703)을 나타낸다. 도 8은 다공성 코팅층(802,803)이 조밀한 고상 전해질 이온 전도막(801)의 양측 표면에 침착되어 있는 또 다른 구체예를 나타낸다. 막(801)은 중간 지지층(804)과 지지층(805)을 포함하는 다공성 지지체상에 지지되며 상기 막(801)과 중간 지지층(804) 사이에 다공성 코팅층(803)이 존재한다.The drawings of the present invention show specific embodiments of the solid electrolyte ion-permeable membrane composite of the present invention. 7 shows the porous coating layers 702 and 703 deposited on both side surfaces of the dense solid electrolyte ion conductive membrane 701. Fig. 8 shows another embodiment in which the porous coating layers 802 and 803 are deposited on both side surfaces of the dense solid electrolyte ion conductive film 801. Fig. The membrane 801 is supported on a porous support comprising an intermediate support layer 804 and a support layer 805 and a porous coating layer 803 is present between the membrane 801 and the intermediate support layer 804.

조밀한 표면상에 재료층을 침착하기 위한 다수의 방법이 있을 수 있지만, 하나의 바람직한 제조방법은 조밀한 막을 다공성 코팅의 액체 전구체(예를들어, 슬러리, 콜로이드 용액) 내로 침지시킨 후, 생성된 코팅을 건조 및 경화시키는 것을 포함한다. 이러한 방법은 본 기술분야에서 이용가능한 다른 방법들에 비해서 다공성 코팅층을 조밀한 표면상에 침착하기 위한, 훨씬 용이하고 비용이 경제적인 방법이다.While there may be a number of methods for depositing a material layer on a dense surface, one preferred manufacturing method is to immerse the dense membrane into a liquid precursor (e.g., slurry, colloidal solution) of the porous coating, Drying and curing the coating. This method is a much easier and more economical method for depositing the porous coating layer on a dense surface compared to other methods available in the art.

적합한 이온 투과막 재료로는 산소이온을 투과시킬 수 있는 혼합 전도체가 있다. 본 발명에 따라 사용될 때, 혼합 전도체 상은 제 2 상 전자 전도상의 존재와 무관하게 산소 이온 및 전자 둘 모두를 투과시킬 수 있다. 본 발명의 혼합 전도성 고상 전해질의 예는 상기 표 1에 제공되어 있으나, 본 발명은 상기 표에 열거된 재료의 조성에만 국한되지 않는다. 단지 혼합 전도체만으로 구성된 재료 이외의 조밀한 매트릭스 재료도 본 발명에 의해 또한 고려된다.Suitable ion permeable membrane materials include mixed conductors that can permeate oxygen ions. When used in accordance with the present invention, the mixed conductor phase can transmit both oxygen ions and electrons irrespective of the presence of the second phase electron conduction phase. Examples of mixed-conducting solid electrolytes of the present invention are provided in Table 1 above, but the present invention is not limited to the compositions of the materials listed in the above table. A dense matrix material other than a material consisting solely of mixed conductors is also contemplated by the present invention.

적합한 코팅 조성물은 산화 이온을 투과시킬 뿐만 아니라 전자 전도성을 지닌 혼합 전도성 산화물로 구성될 수 있다. 다공성 코팅 혼합 전도체의 예들은 상기 표 1에 주어져 있으며 조밀한 막의 혼합 전도성 산화물과 동일하거나 다를 수 있다. 상기 조밀한 막에서와 같이, 코팅은 혼합 전도체 상과 코팅 성분을 갖는 조성물을 포함할 수 있다.Suitable coating compositions can be composed of mixed conducting oxides having electron conductivity as well as permeating oxide ions. Examples of porous coated mixed conductors are given in Table 1 above and may be the same or different from the mixed conducting oxide of the dense film. As with the dense film, the coating may comprise a composition having a mixed conductor phase and a coating component.

적합한 다공성 코팅 조성물은 산소 이온 및/또는 전자를 투과 시킬 수 있는 코팅 구성성분과 혼합 전도체의 조합물을 포함한다. 혼합 전도체는 코팅 구성성분과 무관하게 산소 이온들을 투과시키고 전자들을 전도시킬 수 있다. 코팅 구성성분은 전체 다공성 코팅의 약 30 부피% 미만을 구성하는 것이 바람직하다.Suitable porous coating compositions comprise a combination of a coating composition and a mixed conductor capable of transmitting oxygen ions and / or electrons. Mixed conductors can conduct oxygen ions and conduct electrons independently of the coating components. It is preferred that the coating components constitute less than about 30% by volume of the total porous coating.

다공성 코팅은 본 기술분야의 숙련자들에게 공지된 다수의 방법을 사용하여 코팅될 수 있다. 바람직한 방법은 슬러리 침지 코팅 공정이다. 이러한 방법은 조밀한 막을 코팅하는데 있어서의 용이함 및 비용 효율로 인해 바람직하다. 다른 방법으로는 스핀 코팅, 화학 증착(CVD), 전기화학적 증착(EVD), 레이저 절제 및 스퍼터링과 같은 물리 증착(PVD), 써멀(thermal) 스프레이, 플라즈마 스프레이, RF 플라즈마 증착, 및 이들의 조합방법이 있다.Porous coatings can be coated using a number of methods known to those skilled in the art. A preferred method is a slurry dip coating process. Such a method is preferable due to its ease of use and cost efficiency in coating a dense film. Other methods include physical vapor deposition (PVD) such as spin coating, chemical vapor deposition (CVD), electrochemical deposition (EVD), laser ablation and sputtering, thermal spraying, plasma spraying, RF plasma deposition, .

다공성 코팅층은 코팅이 조밀한 막의 표면 반응 속도를 향상시키도록 조밀한 막의 표면에 비해 얇아야 한다. 따라서, 상기 다공성 코팅층은 약 50㎛ 미만, 양호하게는 10㎛ 미만, 더욱 바람직하게는 5㎛ 미만의 두께를 지닌다.The porous coating layer should be thinner than the surface of the dense membrane to improve the surface reaction rate of the dense membrane. Thus, the porous coating layer has a thickness of less than about 50 탆, preferably less than 10 탆, more preferably less than 5 탆.

본 발명에 따른 다공성 코팅에 대한 더욱 상세한 설명이 이하의 실시예에 주어져 있다.A more detailed description of the porous coating according to the present invention is given in the following examples.

또 다른 구체예에서, 다공성 지지체는 상기 막의 구조적 안정성을 향상하는데 사용될 수 있다. 상기 다공성 지지체는 불활성의 이온 전도성, 혼합 전도성 및 전자 전도성 (금속)재료, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 또한, 다공성 지지체는 불활성의 이온 전도성, 혼합 전도성 및 전자 전도성 재료, 또는 이들의 혼합물 중 어느 하나와 함께 촉매 특성 향상 성분을 함유할 수 있다. 다공성 지지체는 조밀한 매트릭스 재료가 얇고 부서지기 쉬운 경우 특히 중요하다. 구조적으로는, 조밀한 막과 다공성 코팅 중 하나 이상이 다공성 지지체상에 침착되는 것이 바람직하다. 이러한 구체예의 예가 전술한 바와같이 도 8에 제시되어 있다.In yet another embodiment, a porous support can be used to enhance the structural stability of the membrane. The porous support may comprise inert ion conductive, mixed conducting and electron conductive (metal) materials, or mixtures thereof. In addition, the porous support may contain catalytic property enhancing components with either inert ion conductive, mixed conducting, and electron conductive materials, or mixtures thereof. Porous supports are particularly important where the dense matrix material is thin and fragile. Structurally, it is preferred that at least one of the dense membrane and the porous coating is deposited on the porous support. An example of such an embodiment is shown in Fig. 8 as described above.

실시예 4Example 4

단일상의 조밀한 La.2Sr.8Fe.69Co.1Cr.2Mg.01Ox("LSFCCM") 분말 (SSC) 고상 전해질 이온 전도성 튜브(내경 7.1㎜, 외경 9.7㎜, 길이 약 15㎝)를 압출한 후에, 2℃/분의 가열/냉각 속도로 1시간동안 질소분위기에서 1250℃에서 소결시켰다. 상기 튜브를 가로지르는 산소 투과성을 시험하기 위해서 다음과 같은 절차를 따랐다. (물을 통과하여 버블링되는 N2또는 Ar과 같은 불활성 가스 30%, CH460% 및 CO210%를 함유하는)퍼지 가스를 공급 가스의 흐름과 역류하는 방향으로 튜브의 안쪽으로 흐르게 하였다. 이온 투과막 튜브 아래의 중간지점에 위치한 열전쌍으로, "이온 투과 온도"라 지칭하는 상기 튜브를 통해 흐르는 퍼지가스의 온도를 모니터링하였다. 공급가스내의 산소는 이온 투과 막을 가로지르는 투과에 의해 부분적으로 제거되어 산소가 희박한 생성물을 수득하였다. 공급 O2의 체적 분율(XF), 생성물 O2체적분율(XP), 및 생성물의 체적 유량('P' sccm)을 측정하고, 투과 시험에 사용된 공급물 체적 흐름(F)을 불투과성 종에 대한 다음의 물질 수지, 즉 P.(1-xp) = F.(1-xF)에 의해 계산하였다. 상기 이온 투과 튜브를 가로지르는 O2플럭스는 다음 방정식에 의해 계산하였다.One days on the dense La .2 Sr .8 Fe .69 Co .1 Cr .2 Mg .01 O x ( "LSFCCM") powder (SSC) solid electrolyte ion conducting tube (inner diameter 7.1㎜, 9.7㎜ outer diameter, length about 15 Cm) was extruded and sintered at 1250 占 폚 in a nitrogen atmosphere for 1 hour at a heating / cooling rate of 2 占 폚 / min. In order to test the oxygen permeability across the tube, the following procedure was followed. (Containing 30% of an inert gas such as N 2 or Ar bubbling through the water, 60% of CH 4 and 10% of CO 2 ) was caused to flow inside the tube in the direction of countercurrent flow of the feed gas . The temperature of the purge gas flowing through the tube, referred to as the " ion permeation temperature &quot;, was monitored with a thermocouple located halfway below the ion permeable membrane tube. Oxygen in the feed gas was partially removed by permeation across the ion permeable membrane to yield a product that was lean in oxygen. The volumetric fraction (X F ), the product O 2 volume fraction (X P ) and the volumetric flow rate ('P' sccm) of the feed O 2 were measured and the feed volume flow (F) The following mass balance for the permeable species, P (1-x p ) = F. (1-x F ), was calculated. The O 2 flux across the ion permeable tube was calculated by the following equation.

O2- 플럭스 = (F.xF-P.xp)/A이온투과 O 2 - flux = (Fx F - Px p ) / A ion permeability

여기서, A이온투과= O2가 투과되는 평균 이온 투과 튜브의 면적(㎠)이다.Here, A ion permeation = area (cm 2) of the average ion permeable tube through which O 2 permeates.

실시예 5Example 5

실시예 5는 본 발명에 따른 전해질 막의 구체예를 나타낸다. 실시예 4의 튜브와 유사한 단일상의 조밀한 LSFCCM 고상 전해질 이온 전도 튜브를 제조하였다. 상기 튜브는 상기 튜브의 양쪽 표면상에 단일상 LSFCCM 이온 투과 재료의 약 1㎛ 크기의 입자를 갖는 다공성층을 배치하기 위해 체매트(Chemat) 테크놀로지 모델 201로 슬러리 침지 코팅 과정을 사용하여 코팅하였다.Example 5 shows a specific example of the electrolyte membrane according to the present invention. A single-phase dense LSFCCM solid electrolyte ion conducting tube similar to the tube of Example 4 was prepared. The tubes were coated using a slurry dip coating process with a Chemat Technology Model 201 to place a porous layer having particles of about 1 micron size of single-sided LSFCCM ion permeable material on both surfaces of the tube.

그 후, 코팅된 재료를 실시예 4와 동일한 방법으로 시험하였다. 다공성 코팅의 도움으로 인한 이온 투과막을 가로지르는 O2플럭스의 향상이 실험 데이터를 기초로한 다음 표에 제시되어 있다. 유사한 조건하에서 수행된 실험에 있어서, 코팅된 이온 투과 튜브는 코팅되지 않은 이온 투과 튜브보다 상당히 높은 O2플럭스(4배)를 나타냈다. 이러한 경우에, 유사한 공급 유량과 관련된 데이터가 나타났다.코팅된 단일상 튜브는 유사 공급 스트림으로부터 더욱 많은 산소를 분리시키는 것으로 관찰되었다.Thereafter, the coated material was tested in the same manner as in Example 4. The improvement of the O 2 flux across the ion permeable membrane due to the aid of the porous coating is shown in the following table based on experimental data. In experiments conducted under similar conditions, the coated ion permeable tubes exhibited a significantly higher O 2 flux (4 times) than the uncoated ion permeable tubes. In this case, data related to a similar feed flow rate appeared. The coated monolith tube was observed to separate more oxygen from the simulated feed stream.

코팅된 튜브 시험에 사용된 공급 O2체적 분율은 코팅되지 않은 튜브 시험보다 조금 높은 것이 주목된다. 그러나, 와그너의 이론에 따르면, O2플럭스는 공급 O2체적 분율의 대수에 의존한다. 따라서, 공급 스트림내의 O2부피%가 20.9에서 22.6으로 변화해도 다음 표에 기록된 평균 플럭스에 커다란 영향을 끼치리라고는 예상되지 않는다.It is noted that the supply O 2 volume fraction used in the coated tube test is slightly higher than the uncoated tube test. However, according to Wagner's theory, the O 2 flux depends on the logarithm of the supply O 2 volume fraction. Therefore, even if the O 2 volume percentage in the feed stream changes from 20.9 to 22.6, it is not expected to have a significant effect on the average flux recorded in the following table.

표 2 : 단일상 이온 투과막 튜브에 대한 결과Table 2: Results for single-ion permeable membrane tubes

튜브면적(㎠)Tube area (㎠) 공급물 내의 O2 O 2 in the feed 생성물 내의 O2 O 2 in the product 공급물유량 (sccm)Feed flow rate (sccm) 생성물유량(sccm)Product flow rate (sccm) 이온 투과온도 (℃)Ion permeation temperature (캜) 평균플럭스(sccm/㎠)Average flux (sccm / cm2) 코팅되지 않은 단일상 이온 투과 튜브(실시예 4) :Uncoated single-sided ion permeable tube (Example 4): 38.538.5 20.9%20.9% 17.41%17.41% 329329 315315 1,0011,001 0.40.4 1㎜ 단일상 이온 투과 과립의 20㎜ 다공성 코팅을 갖는 단일상 이온 투과 튜브(실시예 5)Single-phase ion-permeable tube (Example 5) having a 20 mm porous coating of 1 mm single- 37.637.6 22.6%22.6% 0.50%0.50% 322322 205205 1,0211,021 1.61.6

실시예 6Example 6

20wt% 50Ag/50Pd (50 wt.% Ag 및 50 wt.% Pd)를 함유하는 LSFCCM의 이중-상이온 투과 튜브를 슬립 주조에 의해 제조하였다. 이중상 LSFCCM 이온 투과막 슬립을 20wt% 50Ag/50Pd 합금(DeGussa)과 La.2Sr.8Fe.69Co.1Cr.2Mg.01Ox분말(SSC) 및 2방울의 다반(Darvan) C 분산액을 35%의 고상 농도로 물과 혼합함으로써 제조하였다. 이러한 슬립을 5시간 분쇄시키고, 깁썸(gypsum) 몰드내에 슬립 주조시킨 후, 2℃/분의 가열/냉각 속도로 1250℃에서 1시간 동안 소결시켰다. 상기 이중-상 튜브를 실시예 4에서 설명한 바와 동일하게 시험하였다.A dual-phase iontransmission tube of LSFCCM containing 20 wt% 50Ag / 50Pd (50 wt.% Ag and 50 wt.% Pd) was prepared by slip casting. Dual phase LSFCCM ion permeable membrane slip 20wt% 50Ag / 50Pd alloy (DeGussa) and La .2 Sr .8 Fe .69 Co .1 Cr .2 Mg .01 O x powder (SSC) and 2 drops of commonplace (Darvan) C The dispersion was prepared by mixing with water at a solid phase concentration of 35%. This slip was pulverized for 5 hours, slip cast in a gypsum mold, and sintered at 1250 ° C for 1 hour at a heating / cooling rate of 2 ° C / min. The double-phase tube was tested in the same manner as described in Example 4.

실시예 7Example 7

실시예 7은 본 발명의 또 다른 구체예를 나타낸다. 실시예 6의 튜브와 유사한 이중-상 LSFCCM 이온 투과 튜브를 제조하였다. 상기 튜브를 튜브중 하나의 양쪽 표면상에 단일-상 LSFCCM 이온 투과재료의 약 1㎛ 크기의 과립의 다공성층을 배치하는데 사용되었던 체매트 테크놀로지 모델 201로 슬러리 침지 코팅 공정을 이용하여 코팅시킨 반면, 실시예 6의 튜브는 코팅되지 않은 상태로 유지시켰다. 실질적인 O2-플럭스의 향상(3.8배)이 상기 튜브상에 배치된 다공성 단일-상 이온 투과 층과 관련하여 관찰되었다. 본 실시예에서, 유사한 생성물 O2농도와 관련된 데이터 지점이 선택되었다. 훨씬 더 높은 공급물 흐름을 코팅된 이중상 튜브에 사용하여 O2를 유사한 양으로 분리하였다.Example 7 shows another embodiment of the present invention. A double-phase LSFCCM iontransmission tube similar to the tube of Example 6 was prepared. The tubes were coated using a slurry dip coating process with a sieve matte technology model 201, which was used to place a porous layer of about 1 micron size of single-phase LSFCCM ion permeable material on both surfaces of one of the tubes, The tube of Example 6 was left uncoated. A substantial improvement in O 2 -flux (3.8 times) was observed with respect to the porous single-phase ion-permeable layer disposed on the tube. In this example, a data point related to a similar product O 2 concentration was selected. A much higher feed stream was used in the coated dual phase tube to separate O 2 in similar amounts.

실시예 8Example 8

실시예 8은 본 발명의 또 다른 구체예를 나타낸다. 실시예 4와 유사한 압출된 이중-상 LSFCCM 이온 투과 튜브를 제조하였다. 상기 튜브는 튜브중 하나의 양쪽 표면상에 LSFCCM와 구성성분을 포함유하는 이중-상 LSFCCM 이온 투과재료상에 약 1㎛ 크기의 과립의 다공성 층을 배치하는데 사용되었던 체매트 테크놀로지 모델 201로 슬러리 침지 코팅 공정을 이용하여 코팅하였다. 상기 구성성분은 50Ag/50Pd 로 이루어지며 전체 다공성 층의 약 20wt.%(약 11vol.%)이었다. 상당한 O2-플럭스의 향상(3.7배)이 상기 튜브상에 배치된 다공성 단일상 이온 투과층과 관련하여 관찰되었다. 본 실시예에서, 유사한 생성물 O2농도와 관련된 데이터 지점이 선택되었다. 훨씬 더 높은 공급물 흐름을 코팅된 이중상 튜브에 사용하여 O2를 유사한 양으로 분리하였다. 또한 O2생성물, 공급물 흐름 및 생성물 흐름에 있어서 상당한 향상이 수득될 수 있는 것으로 나타난다.Example 8 shows another embodiment of the present invention. An extruded double-phase LSFCCM iontransmission tube similar to that of Example 4 was prepared. The tubes were slit immersion coated with a body matte technology model 201, which was used to place a porous layer of about 1 micron size on a dual-phase LSFCCM ion permeable material containing LSFCCM and constituents on both surfaces of one of the tubes Lt; / RTI &gt; The component consisted of 50Ag / 50Pd and was about 20 wt.% (About 11 vol.%) Of the total porous layer. A significant improvement in O 2 -flux (3.7 times) was observed with respect to the porous single-phase ion-permeable layer disposed on the tube. In this example, a data point related to a similar product O 2 concentration was selected. A much higher feed stream was used in the coated dual phase tube to separate O 2 in similar amounts. It also appears that significant improvements in O 2 product, feed stream and product stream can be obtained.

표 3 : 이중-상 이온 투과 튜브에 대한 결과Table 3: Results for double-phase ion permeable tubes

튜브면적(㎠)Tube area (㎠) 공급물 내의 O2 O 2 in the feed 생성물 내의 O2 O 2 in the product 계산된 공급물유량(sccm)The calculated feed flow rate (sccm) 생성물유량(sccm)Product flow rate (sccm) 이온 투과온도 (℃)Ion permeation temperature (캜) 평균플럭스(sccm/㎠)Average flux (sccm / cm2) a.코팅되지 않은 단일-상 이온 투과 튜브(실시예 6) : a. Uncoated single-phase iontransmission tube (Example 6): 17.517.5 20.9%20.9% 5.57%5.57% 209209 175175 1,0341,034 1.91.9 b.1㎜ 단일-상 이온 투과 과립의 20㎜ 다공성 코팅을 갖는 단일-상 이온 투과 튜브(실시예 7) b. Single-phase ion-permeable tubes with a 20 mm porous coating of 1 mm single-phase ion-permeable granules (Example 7) 17.817.8 20.9%20.9% 5.34%5.34% 790790 660660 1,0621,062 7.37.3 c.1㎜ 이중-상 이온 투과 과립의 20㎜ 다공성 코팅을 갖는 단일-상 이온 투과 튜브(실시예 8) c. Single-phase iontransmission tubes with a 20 mm porous coating of 1 mm double-phase iontransmitted granules (Example 8) 37.737.7 20.9%20.9% 12.92%12.92% 2,8842,884 2,6202,620 1,0171,017 7.07.0

각각의 예에서, 혼합 전도체 및 전자 전도체 다공성 층을 갖는 이온 투과 튜브에서는 산소 플럭스가 조밀한 코팅되지 않은 이온 투과 튜브의 플럭스 보다 거의 4배 증가되었음이 주목된다.In each example, it is noted that in an ion permeable tube having a mixed conductor and an electron conductor porous layer, the oxygen flux is increased approximately four times that of a dense uncoated ion permeable tube.

실시예 9Example 9

이중상 디스크를 제조하였다. 소결된 디스크의 양쪽 표면을 폴리싱하여 두께가 0.9㎜가 되게 하였다. 산소 투과 속도를 공기/헬륨 분위기하에서 900℃에서 디스크에 대해 측정하였다. 상기 디스크 시편을 Ag 페이스트로 알루미나 테스트 셀내에서 밀봉시켰다. HP 5890 가스 크로마토그래프 및 산소 분석기를 사용하여 상기 가스의 조성을 분석하고 산소 플럭스를 계산하였다. 900℃에서의 플럭스 시험 결과(sccm/㎠)가 표 4에 요약되어 있다.Dual phase discs were fabricated. Both surfaces of the sintered disc were polished to a thickness of 0.9 mm. The oxygen permeation rate was measured on the disk at 900 DEG C under air / helium atmosphere. The disk specimen was sealed in an alumina test cell with Ag paste. The composition of the gas was analyzed using an HP 5890 gas chromatograph and an oxygen analyzer, and the oxygen flux was calculated. The flux test results (sccm / cm 2) at 900 ° C are summarized in Table 4.

실시예 10Example 10

실시예 10은 본 발명에 따른 전해질 막의 또 다른 구체예를 나타낸다. 실시예 9의 디스크와 유사한 이중-상 디스크를 제조하고 두께 0.6㎜로 폴리싱하였다.Example 10 shows another embodiment of the electrolyte membrane according to the present invention. A double-phase disc similar to that of Example 9 was prepared and polished to a thickness of 0.6 mm.

실시예 5의 재료와 유사한 LSFCCM 이온 투과 재료 수 드롭(drop)을 스핀 코터상에 고정된 디스크의 표면상에 침착시켰다. 20초동안 3500rpm의 스핀속도를 사용하여 변형층을 침착시켰다. 스핀 코팅 후, 디스크상의 LSFCCM 이온 투과재료의 이렇게 침착된 코팅을 고온의 판상에서 80℃에서 5분동안 건조시킨 후, 세라믹 상부를 갖는 고온 판으로 이송하여 약 300℃에서 적어도 5분동안 가열하였다. 전체의 코팅 및 건조 공정을 1㎛의 LSFCCM 필름이 막의 표면에 형성될때까지 반복하였다. 그 후, 이중상 디스크를 실시예 9에서 설명한 바와 동일한 방법으로 시험하였다.A number LSFCCM ion permeable material drop similar to that of Example 5 was deposited on the surface of a disk fixed on a spin coater. The strained layer was deposited using a spin speed of 3500 rpm for 20 seconds. After spin coating, the deposited coating of the LSFCCM ion-permeable material on the disk was dried on a hot plate at 80 DEG C for 5 minutes and then transferred to a hot plate with a ceramic top and heated at about 300 DEG C for at least 5 minutes. The entire coating and drying process was repeated until a 1 m LSFCCM film was formed on the surface of the membrane. Thereafter, the dual phase disc was tested in the same manner as described in Example 9.

(공기측)표면 변형과 관련하여, 산소 플럭스는 공기/헬륨 구배하에서 약 3배 증가되었는데, 이는 공기상의 표면 교환 속도론이 표면 변형을 통해 산소 유리를 위한 표면적을 증가시킴으로써 향상되었다는 것을 의미한다.With respect to the (air side) surface deformation, the oxygen flux was increased about three times under the air / helium gradient, which means that the surface exchange kinetics on the air was improved by increasing the surface area for the oxygen glass through surface modification.

표 4 이중-상 디스크에 대한 결과Table 4 Results for dual-phase disks

디스크면적Disk area 디스크두께(㎜)Disc thickness (mm) 공급물 유량(sccm)Feed flow rate (sccm) 퍼지유량(sccm)Purge flow rate (sccm) 이온 투과온도(℃)Ion permeation temperature (캜) O2플럭스(sccm/㎠)O 2 flux (sccm / cm 2) 보정된 O2플럭스(sccm/㎠)The corrected O 2 flux (sccm / cm 2) 코팅되지 않은 이중-상 디스크(실시예 9)Uncoated dual-phase disc (Example 9) 3.93.9 0.90.9 500500 500500 900900 0.070.07 (0.06)*(0.06) * 공기측상의 1㎜ 다공성 코팅 LSFCCM을 갖는 이중-상 디스크(실시예 10)A dual-phase disk with a 1 mm porous coated LSFCCM on the air side (Example 10) 3.93.9 0.60.6 500500 500500 900900 0.260.26 (0.16)*(0.16) *

* (1㎜ 두께의 막에 대해 보정된 플럭스)* (Flux corrected for 1 mm thick film)

본 발명의 특징들은 단지 설명의 편의상 하나 이상의 도면에 나타낸 것이며,각각의 특징은 본 발명에 따라 다른 특징들과 조합될 수 있다. 본 발명의 분야에 있어서의 숙련자들은 대안적인 구체예들을 인식할 것이며, 이들도 당연히 특허청구범위내에 내포되어 있다고 이해해야 한다. 예를들어, 적합한 제 1 상 재료들은 수소를 함유하는 재료와 관련하여 산소이온과 함께 또는 산소이온 대신에 양성자 이온을 전도시킬 수 있다.The features of the present invention are shown in one or more drawings only for convenience of explanation, and each feature may be combined with other features in accordance with the present invention. Those skilled in the art will recognize alternative embodiments, which, of course, should be understood to be within the scope of the claims. For example, suitable first phase materials may conduct protons ions with or in place of oxygen ions in connection with a material containing hydrogen.

향상된 기계적 특성을 가지며, 제작 도중의 미세균열을 최소화시킬 수 있으며, 처리 또는 작업 도중에 특수한 대기를 필요로 하지 않으며, 온도와 대기의 변화에 맞추어지며, 표면 속도론 및/또는 화학적 속도론에 의해 부과된 한계를 현저하게 감소시켜 높은 산소 플럭스를 얻게 해주며, 또한 이온 투과막에 개선된 촉매효과를 제공하는 변형된 표면을 갖는 고상 전해질 이온 투과 막이 제공된다.Has improved mechanical properties, can minimize microcracks during fabrication, does not require special atmospheres during processing or operation, is adapted to temperature and atmospheric changes, and has a limit imposed by surface kinetics and / or chemical kinetics To provide a high oxygen flux, and also to provide a solid electrolyte ion permeable membrane having a modified surface that provides an improved catalytic effect to the ion permeable membrane.

Claims (10)

제 1 표면과 제 2 표면을 갖는 고상 전해질 이온 투과막으로서, 상기 투과막은,A solid electrolyte ion-permeable membrane having a first surface and a second surface, 하나 이상의 이온 타입을 전도시키는 매트릭스 재료, 및A matrix material that conducts one or more ion types, and 상기 매트릭스 재료와 물리적으로 구별될 수 있는 하나 이상의 구성성분을 포함하며,And at least one component that is physically distinguishable from the matrix material, 상기 구성성분은 매트릭스 재료의 기계적 특성, 촉매 특성 및 소결작용중 어느 하나 이상의 특성을 향상시키고, 이 구성성분은 매트릭스 재료내로 도입되어 다상 복합 재료를 형성시키며, 이러한 복합 재료에서 상기 구성성분은 막을 가로질러 이 구성성분을 통한 연속적인 전자전도를 방지하는 방식으로 존재하는 고상 전해질 이온 투과막.The component improves at least one of mechanical properties, catalytic properties, and sintering properties of the matrix material, and the component is introduced into the matrix material to form a polyphase composite material, A solid electrolyte ion permeable membrane present in such a way as to prevent continuous electronic conduction through this component. 제 1 항에 있어서, 상기 매트릭스 재료가 전자 및 산소이온 전도성 둘 모두를 나타내는 혼합 전도체인 것을 특징으로 하는 고상 전해질 이온 투과막.The solid electrolyte ion permeable membrane according to claim 1, wherein the matrix material is a mixed conductor exhibiting both electron and oxygen ion conductivity. 제 1 항에 있어서, 상기 구성성분이 상기 막을 가로질러 전자의 퍼콜레이션(percolation) 한도 미만이 되는 방식으로 존재하는 금속인 것을 특징으로 하는 고상 전해질 이온 투과막.The solid electrolyte ion permeable membrane of claim 1, wherein the component is a metal present in such a way that the component is less than the percolation limit of electrons across the membrane. 제 1 항에 있어서, 상기 구성성분이 은, 팔라듐, 백금, 금, 로듐, 루테늄, 텅스텐, 탄탈, 티타늄, 니켈, 실리콘, 란타니드, 이트륨, 동, 코발트, 크롬, 바나듐, 지르코늄, 망간, 몰리브덴, 니오븀, 알루미늄, 철 또는 이들의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 고상 전해질 이온 투과막.The method of claim 1, wherein the component is selected from the group consisting of silver, palladium, platinum, gold, rhodium, ruthenium, tungsten, tantalum, titanium, nickel, silicon, lanthanide, yttrium, copper, cobalt, chromium, vanadium, zirconium, manganese, molybdenum , Niobium, aluminum, iron, or a mixture thereof. 제 1 항에 있어서, 상기 구성성분이 비금속 재료인 것을 특징으로 하는 고상 전해질 이온 투과막.The solid electrolyte ion-permeable membrane according to claim 1, wherein the constituent component is a non-metallic material. 제 1 항에 있어서, 상기 구성성분이 비금속 섬유의 형태인 것을 특징으로 하는 고상 전해질 이온 투과막.The solid electrolyte ion-permeable membrane according to claim 1, wherein the constituent components are in the form of non-metallic fibers. 제 1 항에 있어서, 상기 구성성분이 상기 매트릭스 재료의 소결작용 및 촉매 특성중 하나 이상의 특성을 추가로 향상시키는 것을 특징으로 하는 고상 전해질 이온 투과막.The solid electrolyte ion-permeable membrane according to claim 1, wherein the component further improves at least one of sintering action and catalytic property of the matrix material. 제 1 항에 있어서, 가스 종을 수반하는 표면 반응 속도를 향상시키기 위해 막의 제 1 표면 및 제 2 표면중 하나 이상의 표면상에 배치된 다공성 코팅을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고상 전해질 이온 투과막.The solid electrolyte ion-permeable membrane of claim 1, further comprising a porous coating disposed on at least one surface of the first and second surfaces of the membrane to enhance the surface reaction rate associated with the gas species. . 제 8 항에 있어서, 다공성 코팅이 전자 전도성 및 산소 이온 전도성 둘 모두를 나타내는 혼합 전도성 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 고상 전해질 이온 투과막.The solid electrolyte ion permeable membrane of claim 8, wherein the porous coating comprises a mixed conducting material exhibiting both electronic conductivity and oxygen ion conductivity. 제 8 항에 있어서, 조밀한 막과 다공성 코팅 중 하나 이상이 막의 구조적 안정성을 향상시키기 위해 다공성 지지체상에 배치되는 것을 특징으로 하는 고상 전해질 이온 투과막.The solid electrolyte ion permeable membrane of claim 8, wherein at least one of the dense membrane and the porous membrane is disposed on the porous support to improve the structural stability of the membrane.
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